Gips – Al203 - Archives of Foundry Engineering

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17
Archives of Foundry
Year 2005, Volume 5, Book 17
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
44/17
WPŁYW SKŁADU MASY GIPSOWEJ NA TERMICZNE
ZMIANY WYMIAROWE FORMY STOSOWANEJ
W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM
M. WIKTORSKI1 , M. PAWLAK2 , Z. NIEDŹWIEDZKI3
Politechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa
90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań dylatometrycznych związanych mas
gipsowych o różnym udziale tlenku glinu, węglika krzemu, krzemionki oraz talku.
Omówiono rolę, jaką spełniają kompozycje dodatków stosowanych jako materiał
na formy w odlewnictwie precyzyjnym.
Key words: plaster, gypsum, plaster moulds, precision casting, dilatation.
1.
WPROWADZENIE
Rozwój przemysłowy, konkurencja oraz konieczność przestrzegania
rygorystycznych norm środowiskowych, wymaga od producentów odlewów
pozyskiwania nowych rynków zbytu. Kontrahenci branżowi nie stanowią już gwarancji
ciągłości produkcji i zatrudnienia. Coraz częściej klientami, nawet większych zakładów
odlewniczych, są małe firmy o charakterze produkcyjno handlowym, świadczące
również usługi bezpośrednio klientowi indywidualnemu.
Pozyskanie nowych technologii i materiałów do wytwarzania odlewów
gwarantujących dużą dokładność kształtowo wymiarową, jest potrzebą chwili. Jedną
z takich technologii jest odlewanie w formach gipsowych.
Między innymi, kompozycje gipsowe na formy odlewnicze, zapewniają
uzyskanie odlewów o dużej dokładności kształtowej i wymiarowej, małej
chropowatości i dużej czystości powierzchni.
mgr inż. Michał Wiktorski, [email protected], Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł.
dr inż. Marek Pawlak, Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł, adiunkt w Zakładzie Odlewnictwa
3
dr hab. inż. Zenon Niedźwiedzki prof. P.Ł., Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł.
1
2
365
Formy gipsowe o odpowiednich kompozycjach umożliwiają uzyskanie
odlewów cienkościennych, nawet o grubości ścianek poniżej 1 mm [1,2,3]. Istnieje
przy tym możliwość odtwarzania skomplikowanych kształtów odlewu, który
praktycznie nie wymaga obróbki skrawaniem.
Technologia formy gipsowej jest alternatywą dla odlewów skorupowych
czy kokilowych. Wymaga ona starannego przestrzegania wszystkich parametrów
procesu wytwarzania. Powodem takiego stanu rzeczy są, między innymi, przemiany
fazowe zachodzące w gipsie. Podczas ogrzewania związanego dwuhydratu
CaSO4 ·2H2 O ulega on kolejno przemianom w półhydrat CaSO4 ·0,5H2 O, anhydryt
rozpuszczalny III i anhydryt nierozpuszczalny II. Każdorazowo przemianom
tym towarzyszy zmiana stopnia uwodnienia oraz przebudowa siatki krystalicznej
z układu jednoskośnego w układ ortorombowy, typowy dla czy stego anhydrytu.
Zmianom stopnia uwodnienia towarzyszy również zmiana gęstości odpowiednio:
dwuhydrat ~2310 kg/m3 , półhydrat ~2755 kg/m3 , anhydryt rozpuszczalny III ~2484
kg/m3 , anhydryt nierozpuszczalny II ~2955 kg/m3 , która w znaczący sposób odpowiada
za liniową rozszerzalność gipsu [2].
Analiza termograwimetryczna czystego gipsu oraz kompozycji gipsowych
z Al2 O3 , SiO2 , SiC i talkiem, prowadzona w zakresie do 1000 °C wykazała, że utrata
masy czystego gipsu osiągnęła wartość 7,28 %, a po zastosowaniu domieszek
zmniejszyła się prawie trzykrotnie [4]. Dlatego zdecydowano się na określenie wpływu
zawartości domieszki w kompozycji na rozszerzalność liniową.
2.
METODYKA I ZAKRES BADAŃ
2.1. Metodyka badań
Badania związanych kompozycji gipsowych prowadzono przy wykorzystaniu
derywatografu systemu Paulik-Paulik-Erdey MOM 1500, wyposażonego w przystawkę
do badań dylatometrycznych.
W oparciu o analizę wyników badań derywatograficznych [4] i wstępnych
dylatometrycznych, przyjęto kształtkę walcową, której wymiary p odano na rys. 1.
Wysokość kształtki dylatometrycznej dostosowano do zaleceń podanych w instrukcji
obsługi derywatografu. Natomiast sposób mocowania badanej kształtki w komorze
pieca przedstawiono na rys. 2.
Badania prowadzono w czasie 100 min w zakresie temperatur 20 ÷ 1000 O C,
przy stałych pozostałych wielkościach, takich jak: DTD = 1/10, DTA = 1/15, prędkość
nagrzewania v = 10 O C/min, czułość wagi 50 mg.
Podczas badania rejestrowano zmiany wydłużenia kształtki (krzywa TD) oraz
szybkość tych zmian (krzywa DTD), a także efekty cieplne towarzyszące przemianom
fizycznym lub chemicznym (krzywa DTA). Jako substancji wzorcowej (materiału
inertnego) użyto czystego chemicznie Al2 O3 (rys. 2).
366
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
40
Badania wykonano w systemie podwójnym. W przypadku braku
powtarzalności lub przy widocznym wpływie czynników zewnętrznych badania
powtarzano.
ø7
ø 12
Rys. 1. Kształtka do badań dylatometrycznych.
Fig. 1. The experimental sample.
Rys. 2.
Fig. 2.
M ocowanie próbki doświadczalnej w komorze piecowej: 1 – obudowa szamotowa,
2 – elementy grzejne pieca, 3 – zabezpieczająca osłona kwarcowa, 4 – inertna próbka
wzorcowa z Al2O3, 5 – termopary Pt-PtRh, 6 – oporowy pręt kwarcowy, 7 – ceramiczna
podstawa pieca, 8 – podstawa kwarcowa, 9 – platynowy talerzyk, 10 – badana kształtka,
11 – pryzmowa nakładka kwarcowa.
The experimental sample inside of heatig chamber: 1 – furance lining,
2 – heater, 3 – guard, 4 – inert material Al2O 3, 5 – thermocouple Pt-PtRh, 6 – quartz
rod, 7 – ceramic base, 8 – quartz base, 9 – plate of quartz, 10 – experimental sample,
11 – shin quartz.
367
2.2. Materiał użyty do badań
Do badań przyjęto następujące materiały:
a) gips autoklawizowany α Hartform HF1firmy Formula [3] o następujących
właściwościach:
 stosunek wodno-gipsowy dla rozpływu ø 120 mm W/G=0,34
 początek czasu wiązania t wp
25 min,
 koniec czasu wiązania t wk
36,30 min,
 wytrzymałość na zginanie Rg
8,32 MPa,
b) tlenek glinu (Al2 O3 ) No 115 - 99,5 %,o następujących właściwościach:
 zawartość:
SiO2
0,02 %
Fe2 O3
0,02 %
Na2 O
0,40 %
 temperatura topnienia
1750 °C
 ziarnistość
2,00 μm
c) węglik krzemu (SiC) 98,40 % o następujących właściwościach:
 zawartość:
C
0,00 %
Si
1,12 %
SiO2
0,46 %
 gęstość nasypowa
8,00 g/cm3
d) krzemionka (SiO2 ) o następujących właściwościach:
 zawartość:
SiO2
99,15 %
Fe2 O3
00,09 %
Al2 O3
00,39 %
CaO+MgO
00,25 %
Na2 O+K2 O
00,08 %
 temperatura spiekania
1400 °C
 gęstość
2,61 g/cm3
e) Fintalc M30 (Mg 3 H2 Si4 O12 ) o następujących właściwościach:
 zawartość:
SiO2
60,00 %
MgO
31,00 %
FeO
2,20 %
H2 O
4,80 %
 gęstość
2,75 g/cm3
Wymienione materiały badano w postaci czystej oraz jako związane
kompozycje (masy gipsowe). Kształtki do badań przygotowano następująco:
 mieszanie kompozycji (wstępne w homogenizatorze typu LH w czasie 1 h,
a następnie dokładne w młynku kulowym w czasie 0,5 h),
 sporządzenie ciekłej masy gipsowej,
 wykonanie kształtek walcowych,
368
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
 suszenie w temperaturze otoczenia przez 48 h,
 wygrzewanie w temperaturze 110 °C przez 4 h (do uzyskania stałej masy),
 studzenie do temperatury otoczenia w eksykatorze.
2.3. Zakres badań
Składy badanych gipsowych mas przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Składy gipsowych mas do badań dylatometrycznych.
Table 1. The compositions of set gypsum used in dilatation.
L.p
3.
Nazwa
Udział składników , %
Gips HF
Al 2 O3
SiC
Talk
SiO2
100
-
-
-
-
1.
HF
2.
Al 2 O3
-
100
-
-
-
3.
HF – Al2 O3
80
20
-
-
-
4.
HF – Al2 O3
65
35
-
-
-
5.
HF – Al2 O3
50
50
-
-
-
6.
7.
SiC
HF – SiC
80
-
100
20
-
-
8.
HF – SiC
65
-
35
-
-
9.
HF – SiC
50
-
50
-
-
10.
Talk
-
-
-
100
-
11.
HF – Talk
80
-
-
20
-
12.
13.
HF – Talk
HF – Talk
65
50
-
-
35
50
-
14.
SiO2
-
-
-
-
100
15.
HF – SiO2
80
-
-
-
20
16.
HF – SiO2
65
-
-
-
35
17.
HF – SiO2
50
-
-
-
50
BADANIA DYLATOMETRYCZNE
Wyniki badań w postaci wykreślnej (krzywe TD) przedstawiono na rys. 3÷6,
a w postaci tabelarycznej w tabeli 2.
369
370
Rys.3. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych
o różnej zawartości Al2O3 od temperatury.
Fig. 3. The dependence of dilatation Δl of set gypsum
with an additive of Al2O3 on temperature.
Rys. 4. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych
o różnej zawartości SiO 2 od temperatury.
Fig. 4. The dependence of dilatation Δl of set gypsum
with an additive of SiO 2 on temperature.
Rys. 5. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych
o różnej zawartości SiC od temperatury.
Fig. 5. The dependence of dilatation Δl of set gypsum
with an additive of SiC on temperature.
Rys. 6. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych
o różnej zawartości Talku od temperatury.
Fig. 6. The dependence of dilatation Δl of set gypsum
with an additive of Talc on temperature.
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
371
Tabela 2. Termiczne wydłużenie względne kształtek wykonanych ze związanej masy gipsowej
o różnej zawartości: Al2O3, SiO 2, SiC, Talku.
Table 2. Relative thermal dilatation of samples made with set gypsum, for different contents:
Al2O3, SiO2, SiC, Talc.
Wydłużenie względne, %
300
400
500
600
°C
20
100
HF
HF80% +Al 2O 320%
HF65% +Al 2O 335%
HF50% +Al 2O 350%
Al 2O 3
0,00
0,06
0,19
-0,26
-1,36
-1,42
0,00
0,03
0,14
0,10
-0,89
-0,96
0,00
0,03
0,14
0,14
-0,64
0,00
0,03
0,14
0,14
0,00
0,01
0,06
0,20
200
700
800
950
-1,52
-1,45
-1,70
-6,35
-1,07
-1,10
-1,29
-2,76
-0,70
-0,73
-0,77
-0,86
-0,92
-0,49
-0,49
-0,51
-0,51
-0,48
-0,37
0,31
0,40
0,51
0,62
0,73
0,88
Kompozycja HF + Al 2O 3
Kompozycja HF + S iO 2
HF
HF80% +S iO 220%
HF65% +S iO 235%
HF50% +S iO 250%
S iO 2
0,00
0,06
0,19
-0,26
-1,36
-1,42
-1,52
-1,45
-1,70
-6,35
0,00
0,04
0,18
0,10
-0,85
-0,78
-0,79
-0,88
-1,02
-2,77
0,00
0,04
0,19
0,16
-0,45
-0,28
-0,07
-0,02
0,00
-0,84
0,00
0,04
0,19
0,24
-0,16
0,12
0,34
0,39
0,39
-0,12
0,00
0,03
0,21
0,48
0,73
1,08
1,69
1,70
1,71
1,73
HF
HF80% + S iC 20%
HF65% + S iC 35%
HF50% + S iC 50%
S iC
0,00
0,06
0,19
-0,26
-1,36
-1,42
-1,52
-1,45
-1,70
-6,35
0,00
0,02
0,13
-0,02
-1,11
-1,18
-1,22
-1,18
-1,23
-3,32
0,00
0,03
0,12
0,00
-0,88
-0,91
-0,95
-0,91
-0,91
-1,99
0,00
0,03
0,12
0,08
-0,57
-0,57
-0,58
-0,53
-0,52
-0,96
0,00
0,00
0,04
0,13
0,20
0,28
0,37
0,46
0,54
0,69
HF
HF80% + Talk 20%
HF65% + Talk 35%
HF50% + Talk 50%
Talk
0,00
0,06
0,19
-0,26
-1,36
-1,42
-1,52
-1,45
-1,70
-6,35
0,00
0,02
0,14
0,08
-1,20
-1,25
-1,37
-1,30
-1,28
-2,87
0,00
0,05
0,14
0,08
-1,09
-1,12
-1,12
-1,03
-0,98
-2,31
0,00
0,05
0,16
0,13
-0,71
-0,71
-0,71
-0,64
-0,62
-1,82
0,00
0,02
0,14
0,72
1,11
1,42
1,65
1,84
1,92
1,27
Kompozycja HF + S iC
Kompozycja HF + Talk
4.
OMÓWNIENIE WYNIKÓW BADAŃ
Z analizy krzywych dylatometrycznych (rys. 3÷6) wynika, że czysty SiC
oraz Al2 O3 , w zakresie do 1000 °C, charakteryzują się niewielką rozszerzalnością
o przebiegu liniowym, odpowiednio 0,69 % i 0,88 % (tabela 2). Świadczy to o b raku
przemian polimorficznych w obu materiałach, dla badanego zakresu temperatury oraz
sprawia, że kompensacja skurczu masy gipsowej jest bardziej przewidywalna.
Krzywe dylatometryczne związanych mas z udziałem Al2 O3 (rys. 3) i SiC
(rys. 5), w temperaturze 350÷800 °C, wyraźnie charakteryzują się skurczem
proporcjonalnym do zawartości dodatku. Porównując np. w temperaturze 500 °C
wartości skurczu związanej masy gipsowej HF50%+SiC50% ze skurczem związanego HF
oraz z termiczną rozszerzalnością SiC, zauważyć można istotną proporcjonalność
372
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
skurczu związanej masy w stosunku do czystych składników. Zarówno przyrost jej
wydłużenia względem HF, jak i skurcz względem SiC, charakteryzuje ta sama wartość
bezwzględna tj. 0,85%. W oparciu o to porównanie oraz analizę przebiegu krzywych
dylatometrycznych, można z dużym przybliżeniem wyznaczyć wydłużenie względne
kompozycji o dowolnej procentowej zawartości obu składników.
Krzemionkę i talk charakteryzuje duża i nierównomierna rozszerzalność
wywołana przez przemiany polimorficzne zachodzące w trakcie ogrzewania. Ich wpływ
na rozszerzalność masy gipsowej jest szczególnie wyraźny w przypadku SiO 2
Przemiana  kwarcu w kwarc , w temperaturze 573 °C [6], powoduje powiększenie
sieci krystalicznej i tym samym zmniejszenie gęstości  kwarcu z 2650 kg/m3 do 2510
kg/m3 dla  kwarcu. Jest to proces dość gwałtowny i powoduje dynamiczne
zmniejszenie skurczu masy gipsowej, największe w przypadku 50% dodatku
krzemionki. Najbardziej korzystnie oddziałuje na właściwości masy gipsowej 35%
dodatek SiO2 , który praktycznie likwiduje jej skurcz w zakresie temperatury
550÷800 °C, szczególnie interesującym dla odlewnictwa metali o średniej temperaturze
topnienia.
W przypadku mas z dodatkiem talku sprawa jest bardziej skomplikowana.
Bardzo znaczna (1,92%) rozszerzalność tego dodatku sugeruje równie wyraźny wpływ
na rozszerzalność masy gipsowej z jego udziałem. W rzeczywistości masa
z dodatkiem talku charakteryzuje się większym skurczem. Oznacza to, że talk
w związanej masie nie kompensuje w oczekiwany sposób jej skurczu.
Przebieg krzywych dylatometrycznych z udziałem talku (rys. 6), wykazuje
proporcjonalność skurczu mas dwuskładnikowych względem czystej masy gipsowej,
ale bez korelacji z krzywą dylatometryczną czystego talku.
Charakterystyczną cechą wspólną wszystkich badanych mas jest występowanie
niewielkiego (~0,1%) rozszerzenia w granicach 50÷325 °C. Jest ono wynikiem
występującego w tym zakresie temperatury rozszerzenia gipsu, którego nie kompensuje
jeszcze niewielkie wówczas rozszerzenie wprowadzonych do masy dodatków.
5.
PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań można stwierdzić, że:
związana masa z czystego α gipsu charakteryzuje się dużymi
i nierównomiernymi zmianami wymiarowymi - szczególnie intensywny
skurcz występuje w temperaturze 300÷350 °C i powyżej 800 °C,
wszystkie zastosowane dodatki powodują zdecydowane zmniejszenie
skurczu termicznego związanej masy z ich udziałem w porównaniu z masą
z czystego α gipsu.
373
LITERATURA
[1] Lewandowski J.L.: Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit,
Kraków 1997 r.
[2] Akerman K.: Gips i Anhydryt. PWN W-wa 1964
[3] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Stanowisko do badania
współczynnika przewodzenia ciepła materiałów stosowanych na formy gipsowe
w odlewnictwie precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4,
Nr 13, str. 233240
[4] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Badania derywatograficzne
kompozycji gipsowych stosowanych na formy gipsowe w odlewnictwie
precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13, str.
225232
[5] Gips Hartform – HF1 BPB Formula GmBH D-37455 Walkenried Niemcy,
marzec 2000r.
[6] Nadachowski F.: Zarys technologii materiałów ogniotrwałych. ŚWT 1995 r.
EFFECT OF GYPSUM COMPOSITIONS ON THERMAL DILATATION
GYPSUM MOULD USED IN PRECISION CASTING
SUMMARY
In this work dilatation of set gypsum mix with alumina, silicon carbide, silica
and talc are presented. The influence of the additives on the properties of material used
for moulds in precision casting are disciussed.
Recenzował: prof. dr hab. inż. Józef Gawroński
374