sposób odlewania metodą traconej pianki i pod ciśnieniem metali

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)165322
(13) B1
(21) Numer zgłoszenia: 286790
Urząd PatentowyR
k
zecyposlitjP
(54)
(22) Data zgłoszenia: 07.09.1990
B22D 27/13
B22D 18/04
Sposób odlewania metodą traconej piankii pod ciśnieniem, metalu
(73)
(43)
(51) IntCl5:
Uprawniony z patentu:
ALUMINIUM PECHINEY, Courbevoie, FR
Zgłoszenie ogłoszono:
09.03.1992 BUP 05/92
(72)
Twórca wynalazku:
Michel Garat, Voiron, FR
(45)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.12.1994 WUP 12/94
(74)
Pełnomocnik:
Szafruga Anna, PHZ POLSERVICE
PL 165322 B1
(57)
1. Sposób odlewania m etodą traconej pianki i pod ciśnieniem m etalu, zgodnie z którym
w ykonuje się model odlewu z pianki substancji organicznej powleczonej w arstew ką m ateriału
ogniotrw ałego, zanurza się ten m odel w form ie utw orzonej z suchego piasku bez śro d k a
wiążącego, napełnia się form ę stopionym m etalem spalając m odel, usuwa się opary i ciekłe
pozostałości wydzielone przez m odel i pozostaw ia się stopiony m etal do skrzepnięcia wywierając
na form ę ciśnienie izostatyczne o w artości m aksym alnej zaw artej między 0,5 M Pa i 1,5 M Pa
zanim ilość skrzepniętej frakcji m etalu przekroczy 40% w agow ych, znamienny tym, że w artość
ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości
zanurzenia modelu wytwarza się szybko i przejściow o (przez stratę ciśnienia poprzez piasek)
wyższe ciśnienie w stopionym m etalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich pow ierzchni
granicznej, przy czym różnica ciśnień osiąga w artość pom iędzy dwiem a w artościam i granicznymi i następnie zmniejsza się w m iarę w zrostu ciśnienia, a potem utrzym uje się ciśnienie na
stałym poziom ie, aż do całkow itego skrzepnięcia.
Sp osób od lew ania m etodą traconej pianki i p o d ciśnieniem metalu
Zastrzeżenia
patentowe
1. Sposób odlew ania m etodą traconej pianki i p o d ciśnieniem m etalu, zgodnie z którym
wykonuje się m odel odlew u z pianki substancji organicznej powleczonej warstew ką m ateriału
ogniotrw ałego, zanurza się ten m odel w form ie utw orzonej z suchego piasku bez środka wiążącego,
napełnia się form ę stopionym m etalem spalając m odel, usuw a się opary i ciekłe pozostałości
wydzielone przez m odel i pozostaw ia się stopiony m etal do skrzepnięcia wywierając na formę
ciśnienie izostatyczne o w artości maksymalnej zawartej między 0,5 M Pa i 1,5 M Pa zanim ilość
skrzepniętej frakcji m etalu przekroczy 40% wagowych, znamienny tym, że w artość ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia m odelu
wytwarza się szybko i przejściow o (przez stratę ciśnienia poprzez piasek) wyższe ciśnienie w
stopionym m etalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich pow ierzchni granicznej, przy czym
różnica ciśnień osiąga w artość pom iędzy dwiema w artościam i granicznym i i następnie zmniejsza
się w m iarę w zrostu ciśnienia, a potem utrzym uje się ciśnienie na stałym poziom ie, aż do całkow itego skrzepnięcia.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szybkość w zrostu ciśnienia wynosi między
0,003 M P a/sek i 0,3 M P a /se k i jest tym mniejsza im większa jest grubość odlewu.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że różnica ciśnień m a w artość pom iędzy 0,001 M Pa
i 0,030 MPa.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że różnica ciśnień m a w artość między 0,002 M Pa i
0,019 MPa.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że m aksym alną różnicę ciśnień osiąga się w czasie
krótszym niż 2 sekundy.
* * *
Przedm iotem w ynalazku jest sposób odlew ania m etodą traconej pianki i pod ciśnieniem,
m etalu, a zwłaszcza alum inium oraz jego stopów.
Znane jest fachow com , na przykład z opisu patentow ego St. Zjedn. A m eryki nr 3 157 924,
zastosowanie do odlew ania m etali modeli w ykonanych z pianki substancji organicznej, takiej jak
polistyren, które zanurza się w form ie utworzonej z suchego piasku nie zawierającego żadnego
środka wiążącego. W przem yśle modele takie są przew ażnie pow leczone w arstew ką m ateriału
ogniotrwałego dla polepszenia jakości odlewów.
W takim znanym sposobie stopiony uprzednio m etal, przeznaczony do odlew ania doprow adza się do zetknięcia z m odelem za pośrednictwem otw oru zasilającego oraz kanałów przechodzących przez piasek, przy czym m etal stopniowo zajm uje miejsce m odelu spalając go i przekształcając
głównie w opary, k tóre uchodzą pomiędzy ziarnam i piasku.
W stosunku do klasycznego odlew ania w form ie nietrw ałej, technika ta nie wym aga uprzedniego w ytw arzania, poprzez zagęszczenie i spiekanie sproszkow anych m ateriałów ogniotrw ałych,
sztywnych form , połączonych w mniej lub bardziej skom plikow any sposób z rdzeniam i oraz
um ożliwia łatw e odzyskiw anie odlewów, jak też dogodne zaw rócenie do obiegu m ateriałów odlewniczych. Jest więc o n a prostsza i bardziej ekonom iczna niż technika klasyczna. Poza tym technika
ta daje pro jek tan to m odlew ów większą swobodę co do ich kształtu. D latego więc okazuje się ona
coraz bardziej obiecująca z przem ysłowego p unktu widzenia. Jednakże ma ona też w ady spośród
których dwie w ynikają z klasycznych procesów m etalurgicznych to znaczy: stosunkow o pow olnego krzepnięcia, sprzyjającego tworzeniu się porów z gazow ania, pochodzących od w odoru
rozpuszczonego w ciekłym stopie alum inium oraz stosunkow o słabych gradientów term icznych, co
sprzyja tworzeniu się m ikroporów .
165 322
3
W celu uniknięcia tych trudności zgłaszający zaproponow ał we francuskim opisie patentow ym
opublikow anym p o d nr 2 6 0 6 688, rozw iązanie polegające na zaaplikow aniu na form ę, po jej
napełnieniu i przed przekroczeniem ilości krzepnącej frakcji m etalu 40% w agow ych, izostatycznego ciśnienia gazu o wielkości m aksym alnej zawartej między 0,5 i 1,5 M Pa.
T ak więc sposób według wym ienionego opisu patentow ego obejm uje klasyczne etapy odlew ania m etodą traconej p ianki, to znaczy: w ykonanie modelu odlewu utw orzonego z pianki substancji
organicznej powleczonej w arstew ką m ateriału ogniotrwałego; zanurzenie powyższego m odelu w
form ie utw orzonej z suchego piasku bez śro dka wiążącego; napełnienie form y stopionym m etalem
celem spalenia powyższego m odelu, przy czym napełnianie to przeprow adza się za pom ocą otw oru
zasilającego łączącego m odel z częścią zew nętrzną formy; usunięcie oparów i ciekłych pozostałości
wydzielanych przez powyższy m odel podczas jego spalania oraz um ożliw ienie skrzepnięcia stopionego m etalu celem otrzym ania odlewu. Przy czym zgłaszający ulepszył to rozw iązanie w ten
sposób, że gdy form a została całkowicie napełniona, to znaczy gdy m etal zastąpił całkowicie m odel
i gdy większa część oparów została usunięta, na formę zaaplikow ano ciśnienie gazu, przy czym
operację tę przeprow adzono um ieszczając form ę w kom orze zdolnej do utrzym yw ania ciśnienia i
połączonej ze źródłem gazu pod ciśnieniem. Operację tę m ożna przeprow adzić bezpośrednio po
napełnieniu, gdy m etal jest jeszcze całkow icie ciekły, ale może też ona jeszcze mieć miejsce później,
aby tylko ilość skrzepniętej frakcji m etalu w formie nie przekroczyła 40% , gdyż powyżej tej
wartości ciśnienie m iałoby skutek niewiele znaczący.
K orzystne jest gdy w artość zastosow anego ciśnienia wynosi m aksym alnie pom iędzy 0,5 i
1,5 M Pa. W artość poniżej 0,5 M Pa daje skutek niewystarczający, zaś w artość powyżej 1,5 M Pa
pow oduje zwiększone koszty eksploatacyjne.
Stw ierdzono więc, że pow ażnie zwiększyła się zwartość odlewów z wyelim inow aniem lub co
najm niej zmniejszeniem po r gazowych oraz m ikroporów i polepszyły się w ten sposób ich charakterystyki m echaniczne. Jednakże wywołało to pojawienie się nowej w ady nazwanej „wżarciem ”.
Istotnie, jeśli wyw iera się ciśnienie na form ę do odlew ania m eto d ą traconej pianki bez
zachow ania środków ostrożności, to powyższe ciśnienie oddziaływuje z jednej strony bezpośrednio
na otw ór zasilający w m etal, gdzie zostaje ono przekazane praktycznie natychm iastow o na całą
masę ciekłego m etalu, a z drugiej strony na powierzchnię piasku, gdzie jest przekazyw ane z
natężeniem stopniow o zm niejszającym się wskutek zjawiska straty ciśnienia poprzez ziarna piasku.
W ytw arza się więc nierów now aga ciśnienia pow odująca różnicę ciśnień ∆ P, występujących w
m etalu i w piasku, na poziom ie ich pow ierzchni granicznej, to znaczy w m iejscu gdzie m odel m iał
styczność z piaskiem . Różnica ciśnień jest tymczasowa i występuje w krótce po zastosow aniu
ciśnienia, aby następnie zaniknąć.
Jeżeli ta różnica ciśnień jest zbyt duża, to wywołuje penetrację m etalu pom iędzy ziarna piasku i
pow oduje odkształcenie pow ierzchni odlewu. Na tym polega zjawisko zwane „wżarciem ”. Żeby
tem u zapobiec należy tę różnicę ciśnień zmniejszyć jak tylko to jest możliwe i zgłaszający doszedł do
tego w znanym rozw iązaniu, stosując ciśnienie wzrastające stopniow o w czasie od w artości 0, aż do
pożądanej w artości m aksym alnej, a następnie utrzym ując to ciśnienie aż do całkow itego skrzepnięcia m etalu. Istotnie im niższe jest ciśnienie na początku jego stosow ania, tym m niejsza jest
nierów now aga. D oprow adzono w ten sposób do określenia dostatecznie niskiej szybkości dla
uzyskania zmniejszonej różnicy ciśnień. Ale oprócz tego zjawiska „w żarcia ” i trudności w ynikających ze w spom nianych powyżej klasycznych procesów m etalurgicznych, k tórych rozw iązanie
znaleziono, zgłaszający zauw ażył dwie inne trudności spow odow ane procesam i całkow icie specyficznymi dla sposobu z tra c o n ą p ian k ą a mianowicie: tworzenie się pęcherzy wyw ołanych zgazowanymi pozostałościam i pianki oraz tw orzeniu się inkluzji węglowych zw iązanych z tlenkam i i
wynikających ze stykania się ciekłego stopu alum inium ze zwęglonymi pozostałościam i pianki.
Ja k to opisano powyżej p rak ty k a przem ysłowa odlew ania z m odelem traconym polega na
powleczeniu modeli w arstew ką m ateria łu ogniotrwałego utw orzonego przew ażnie z cząstek ceramicznych połączonych środkiem wiążącym. W arstew ka ta działa następująco: w chwili zalewania
form y ciekłym m etalem pian k a w ytw orzona najczęściej z polistyrenu zostaje usunięta jednocześnie
w postaci gazowej i ciekłej. W arstw a ogniotrw ała ma regulować usuw anie postaci gazowej ze
względu na swoją przepuszczalność i absorbow ać postać ciekłą. Ogólnie biorąc przepuszczalność
4
165 322
pow inna być dostosow ana do odlew u, tak aby zapew nić utrzym yw anie poduszki gazowej między
ciekłym metalem a p ianką, zaś zdolność absorbow ania pow inna być m aksym alna dla usunięcia
ciekłych pozostałości.
T ak więc przy końcu napełniania form y warstw a ogniotrw ała jest nasycona pozostałościam i,
zaś nadm iar w stosunku do nasycenia uchodzi do piasku. A więc w form ie znajduje się m etal o
tem peraturze od 600 do 800°C stykający się z tą warstw ą nasyconą substancją organiczną skąd
może wynikać zgazowanie cieczy, które wytwarza wówczas takie ciśnienie, że gaz przenika do
m etalu i tam tworzy pęcherze w yw ołując występow anie inkluzji węglowych pochodzących z
niezupełnego spalenia pozostałości pianki.
D la uniknięcia tej wady należy więc stworzyć w ystarczający nadm iar ciśnienia w ciekłym
m etalu w stosunku do obszaru usytuow anego w piasku poza w arstew ką, aby spow odow ać usunięcie gazowych oraz ciekłych pozostałości do piasku i zapobiec w ten sposób ich wejściu w m etal. Ale
to przeciwstawia się rozw iązaniu dostosow anem u do uniknięcia wżarcia, które polega na możliwie
jak największej redukcji szybkości wzrostu ciśnienia w celu możliwie ja k największego zmniejszenia
tegoż nadm iaru ciśnienia.
Wyżej opisane wady zostały usunięte w sposobie według wynalazku.
Sposób odlew ania m etodą traconej p ian k i i pod ciśnieniem m etalu, zgodnie z którym wykonuje się m odel odlewu z pianki substancji organicznej powleczonej w arstew ką m ateriału ogniotrwałego. Z anurza się ten m odel w form ie utw orzonej z suchego piasku bez środka wiążącego,
napełnia się form ę stopionym m etalem spalając m odel, usuw a się opary i ciekłe pozostałości
wydzielone przez m odel i pozostaw ia się stopiony m etal do skrzepnięcia,w ywierając na formę
ciśnienie izostatyczne o w artości m aksym alnej zawartej między 0,5 i 1,5 M Pa zanim ilość skrzepniętej frakcji m etalu przekroczy 40% wagow ych, polega według w ynalazku na tym , że wartość
ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości
zanurzenia m odelu wytwarza się szybko i przejściowo (przez stratę ciśnienia poprzez piasek)
wyższe ciśnienie w stopionym m etalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich powierzchni
granicznej, przy czym różnica ciśnień osiąga w artość pom iędzy dw iem a wartościam i granicznym i i
następnie zmniejsza się w m iarę w zrostu ciśnienia, a potem utrzym uje się ciśnienie na stałym
poziom ie, aż do całkow itego skrzepnięcia.
Korzystnie szybkość w zrostu ciśnienia wynosi m iędzy 0,003 i 0,3 M P a/sek , i jest tym mniejsze
im większa jest grubość części.
K orzystnie różnica ciśnień m a w artość pom iędzy 0,001 i 0,030 M Pa, a zwłaszcza ma wartość
między 0,002 i 0,019 M Pa.
Korzystnie m aksym alną różnicę ciśnień osiąga się w czasie krótszym niż 2 sekundy.
Zgłaszający stw ierdził więc nieoczekiw anie, że rzeczą niezbędną dla uniknięcia „wżarcia ” oraz
przenikania pozostałości w m etal było ograniczenie różnicy ciśnień i zastosow anie takiej szybkości
w zrostu ciśnienia, żeby w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia m odelu wytwarzało się szybko i chwilowo wyższe ciśnienie w stopionym m etalu w stosunku do ciśnienia piasku,
na poziom ie ich pow ierzchni granicznej, przy czym ta różnica ciśnień osiąga w artość zaw artą
między dwiema w artościam i granicznym i i następnie zm niejsza się w m iarę w zrostu ciśnienia, a
potem ciśnienie utrzym uje się stałe, aż do zupełnego skrzepnięcia.
Szybkość wzrostu ciśnienia pow inna oczywiście uwzględniać stratę ciśnienia poprzez form ę, to
znaczy uziarnienie piasku, a także głębokość zanurzenia m odelu w piasku. D latego też dobiera się
ją w zależności od tych param etrów i w taki sposób aby uzyskać w artości różnicy ciśnień zaw artą
pomiędzy 0,001 i 0,030 M Pa, a korzystnie między 0,002 i 0,010 M Pa.
Różnica ciśnień jest konieczna jedynie w krytycznym okresie, który następuje bezpośrednio po
napełnieniu form y, gdy w arstew ka jest jeszcze nasycona pro d u k tam i niecałkowicie odparow anym i.
Korzystnie ta różnica ciśnień zostaje osiągnięta w czasie krótszym niż 2 sekundy po zastosow aniu
ciśnienia, w chwili gdy zjawisko wżarcia jest najbardziej znaczące.
W ynalazek przedstaw iono w trzech przykładach w ykonania.
W pierwszym przykładzie w ykonania sposobu według w ynalazku, kolektor wydechowy spalin
silnika sam ochodow ego odlew ano ze stopu alum inium AS 7G O . 3 zawierającego oprócz
alum inium następujące pierw iastki w ilościach podanych w procentach wagowych Fe-0,20%;
165 322
5
SI-6,4-7,5%; Cu-0,10%; Zn-0,10%; M g-0,25-0,40% ; M n-0,10% ; Ni-0,05%; Pb-0,05%; Sn-0,05%;
Ti-0,05-0,30%. G rubości ścianek odlewanej części wynosiły 4 mm.
M odel z polistyrenu o ogniotrw ałej pow łoce, m ający taki sam kształt ja k część odlew ana,
zanurzono do suchego piasku bez spoiw a, o w ielkości ziaren 48 według standardów A F S (A m erican F oundrym en Society) na głębokości 250 m m . Płynny stop wylano na m odel i, na koniec
operacji napełniania, kiedy model był całkow icie spalony, zastosow ano ciśnienie gazu w zrastające
od 0 do 0,8 M Pa w ciągu 1 s., tak więc szybkość w zrostu ciśnienia wynosiła 0,066 M P a /s. W zrost
przyłożonego ciśnienia wywołał nadciśnienie na pow ierzchni granicznej stopionego m etalu i p iasku, osiągające swą wartość m aksym alną 0,0097 M Pa w ciągu 0,9 s. Następnie nadciśnienie zm niejszyło się i zanikło. Całkowity czas krzepnięcia elem entu wynosił 60 s.
W drugim przykładzie z takiego sam ego sto p u AS 7G O , 3 jak w przykładzie pierwszym
odlew ano głowicę cylindra silnika sam ochodow ego, posiadającą grubość ścianek 8 m. M odel z
polistyrenu zanurzono do takiego samego p iasku ja k w przykładzie pierwszym , na głębokości
450 mm. Krzepnięcie odlewanej części następow ało znacznie wolniej, w czasie całkow itym 240 s.
Ponieważ grubość ścian i głębokość zanurzenia były większe, czas niezbędny do osiągnięcia
0,8 M Pa wynosił 46 s., a zatem szybkość w zrostu ciśnienia wynosiła 0,017 m P a /s. M aksym alna
w artość nadciśnienia na powierzchni granicznej piasek-ciekły metal wynosiła tylko 0,0046 M P a i
została osiągnięta w ciągu 0,6 s.
W trzecim przykładzie, tak a sam a głow ica cylindra ja k w przykładzie drugim odlew ana była
przy pom ocy piasku o wielkości ziaren 100 w skali A FS. W tym przypadku czas w zrotu ciśnienia
wynosił 80 s, zatem szybkość wzrostu ciśnienia w ynosiła tylko 0,01 M P a/s. M aksym alna w artość
nadciśnienia wynosiła tylko 0,0030 M Pa, zaś czas na osiągnięcie tej m askym alnej w artości nadciśnienia został zmniejszony do 0,4 s.
Powyższe przykłady ukazują wpływ grubości ścianek odlewanej części, wielkości ziaren piasku
i głębokości zanurzenia m odelu w piasek na szybkość w zrostu zastosowanego ciśnienia, o raz na
wielkość nadciśnienia na powierzchni granicznej piasek-ciekły metal.
W yroby odlew ane tym sposobem m ają b ard zo m ało pęcherzy i nie m ają inkluzji węgla, co
świadczy o skuteczności odlew ania sposobem według w ynalazku. W yniki uzyskane w opisanych
powyżej przykładach zebrano i przedstaw iono w poniższej tabeli.
Tabela
Nr
1
2
3
Z astosow anie ciśnienia
od zak o ń cz en ia
n ap ełn ian ia
od zak o ń czen ia
n ap ełn ian ia
gdy stopień skrzepnięcia
osiąga 35%
k o le k to r
głow ica silnika
głow ica silnika
R odzaj części
U ziarnienie piasku w AFS*
48
48
100
C zas trw an ia krzepnięcia w sek
60
240
240
4
8
8
12
46
80
G ru b o ść odlew u w mm
C zas trw an ia w zrostu ciśnienia
m iędzy 0 i 0,8 M P a w sek.
Szybkość w zrostu ciśnienia
w M P a /se k
0,066
∆P m aksym alne w PM a
0,0097
G łęb o k o ść zanurzenia m odelu
w mm
C zas osiągnięcia m aksym alnego
n a d m ia ru ciśnienia w sek.
250
___0,017
0,0046
450
0,9
0,6
X1IA F S = m iędzynarodow a przyjęta a m e ry k a ń sk a n o rm a uziarniem a.
0,01
0,0030
450
0,4
165 322
Departament Wydawnictv UP RP. Nakład 90 egz.
Cena 10000 zł