Pobierz

Solidinkation of Metais and Alłoys, No. 33,1997
Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997
P AN - Oddzinl Katowice
PL ISSN 0208-9386
33/39
WPŁ YW GAZOWYCH PRODUKTÓW DESTRUKCJI CIEPLNEJ
MODELI POLISTYRENOWYCH NA WŁASNOŚCl METALU
W PROCESIE PELNEJ FORMY.
ŻÓLKIEWlCZ Zdzisław
Instytut Odlewnictwa- Kraków, ul. Zakopiańska 73
JANKOWSKI
Akademia Górniczo-Hutnicza-
Wydział
Wiesław
Odlewnictwa- Kraków, ul. Reymonta 23
Streszezell i e
W czasie zalewania pełnej formy ciekłym stopem, model z polistyrenu
spienionego
wypełniający wnękę
formy poddawany jest
stałego
wysokiej temperatury i przechodzi ze stanu
granicy
układu : ciekły
które nie
wpływa
w stan gazowy. Na
metal - model - forma zachodzi szereg zjawisk,
są całkowicie wyjaśnione
wydzielają się
działaniu
produkty
stałe
W trakcie zgazowywania modelu
i gazowe. Na
kinetykę rozkładu
szereg czynników, które w sposób istotny
otrzymywanych odlewów.
decydują
o jakości
Pomiędzy zwierciadłem ciekłego
a modelem powstaje szczelina, w której
gazów jest zwykle kilkakrotnie
wyższe
modelu
metalu
ciśnienie wydzielających się
od
ciśnienia
gazów we
formy wykonanej metodami tradycyjnymi .
·badania realizowane w ramach projektu badawczego KBN nr 7 TOSB 011 09
wnęce
279
Wprowadzenie
pełnej
Proces
formy polega na umieszczeniu modelu z polistyrenu spienionego
(styropianu) - na którego powierzchnię naniesiona jest powłoka ogniotrwała w skrzynce formierskiej oraz zasypaniu modelu odlewu i układu wlewowego suchym
piaskiem kwarcowym, który
następnie
zwartości
metal wlany do fonny zgazowuje model styropianowy,
i
gęstości . Ciekły
odtwarzając
zagęszczany
jest
przechodzą przez powłokę ogniotrwałą
Technologie odlewnicze,
dobnych tworzyw
wykorzystujące
osiągnięcia
powstałe
go doskonale w postaci odlewu. Gazy
cieplnej modelu
do
maksymalnej
w wyniku destrukcji
i piasek na
zewnątrz
formy.
modele z polistyrenu spienionego i po-
charakteryzują się niewątpliwie
wieloma zaletami, przede wszyst-
kim technologicznymi, ekonomicznymi i ekologicznymi, z których
główne
to [ l, 5, 9]:
• możliwość otrzymywania odlewów o złożonych i skomplikowanych ksztahach;
•
możliwość
wytwarzania odlewów z otworami i
wymiarach; skomplikowanych otworów
wnękami,
szczególnie o
przepływowych,
małych
a nawet otworów
z gwintem, bez stosowania rdzeni i obróbki skrawaniem;
wynikających
• brak na odlewach naddatków technologicznych,
pochyleń
z
odlewniczych;
•
możliwość
wytwarzania odlewów o
założonej
dokładności
wymtaroweJ;
• ograniczenie do minimum oczyszczania i obróbki skrawaniem gotowych
odlewów z uwagi na prawie
powierzdmie
podziału
sferoidalnego,
brak zalewek
(przeważnie
nie
występują
modeli i tonny);
• dla wielu stopów nie stosuje
żeliwa
zupełny
się
nadlewów na odlewach (np. dla
żeliwa ciągliwego),
co zdecydowanie
żeliwa
szarego,
zwiększa
uzysk
metalu;
•
obniżone
koszty wytwarzania odlewów w stosunku do innych technologii;
w porównaniu z formami piaskowymi zalewanymi na wilgotno koszty te
o
Dzięki
około
20 %.
stosowanemu
coraz
w fonnie podczas zalewania i
wzrost
maleją
wytrzymałości
częścieJ
w
stygnięcia
proceste
pełnej
formy
odlewu [6], uzyskuje
formy, a z drugiej -
ułatwienie
się
podciśnieniu
z jednej strony
lokalizacji (wychwytywania)
280
gazowych produktów destrukcji cieplnej modeli, co daje
na przykład poprzez spalanie katalityczne, czy
absorbcję
możliwość
przez
węgiel
ich neutralizacji
aktywny.
Dzięki
temu proces zyskuje walory ekologiczne i polepszenia warunków pracy.
Modele z polistyrenu spienionego wykorzystuje
zarówno ze stopów metali
o
dokładności
nieżelaznych,
jak i stopów
wymiarowej, porównywalnej z
się
do wykonywania odlewów
żelaza.
dokładnością
Otrzymuje
się
odlewy
odlewów wykonanych
metodami: odlewania grawitacyjnego do kokil, formowania skorupowego, jak również
wytapianych modeli .
Jakość
modelu polistyrenowego,
lat
powierzchni odlewów odpowiada
ściśle
osiemdziesiątych kilkadziesiąt
amerykańskich,
i
Dlatego
też już
powierzchni
od drugiej
połowy
odlewn i, a obecnie ponad sto, przede wszystkim:
angielskich, francuskich ,
ukraińskich
rosyjskich,
odwzorowując .
go
jakości
włoskich ,
stosuje
japońskich ,
różne
kanadyjskich, niemieckich,
odmiany procesu
pełnej
formy do
produkcji odlewów: maszynowych, motoryzacyjnych, artystycznych i innych. Szersze
omówienie
pełnej
ważniejszych
czynników technologicznych,
występujących
w procesie
formy, autorzy referatu przedstawili w pracy [3].
Istota zagadnienia
Przechodzenie modelu polistyrenowego ze stanu
oddziaływania ciepła ciekłego
w wyniku
procesem
złożonym.
szybkości mają wpływ następujące
lub
w stan gazowy,
wypełniającego wnękę
Zgazowywanie (odparowywanie) modelu
zować szybkością liniową, objętościową
tej
metalu
stałego
masową
można
formy, jest
scharaktery-
tego procesu (V). Na
wartość
czynniki:
+ powierzchnia styku ciekłego metalu z modelem,
+ stosunek
powierzchni styku model -
ciekły
metal do powierzchni przekroju
poprzecznego modelu,
+ własności tworzywa modelu, w tym gęstość materiału modelu,
+ konfiguracja modelu,
+ temperatura ciekłego metalu,
+ przepuszczalność formy (przede wszystkim
ogniotrwałej),
przepuszczalność
ceramicznej powloki
281
własności
•
tennofizyczne fonny,
• temperatura fonny,
ł różnice ciśnień
Kinetykę
we
wnęce
działanie
można
procesu zgazowywania modelu z polistyrenu spienionego
przedstawić następującymi
*
fonny, w fonnie i na zewnątrz formy.
etapami [2, 7, 10]:
promieniowania z lustra
ciekłego
powierzchnię
metalu na
styku metal -
model;
* promieniowanie z lustra ciekłego metalu do fazy cieklej modelu i powstawanie Jazy
gazowej ;
• przewodzenie ciepła przez fazę gazową do fazy
ciekłej
i
stałej
modelu;
• konwekcja ciepła w szczelinie gazowej.
Ciepło
dostarczone przez
polistyrenowego ze stanu
przepuszczalności
ciekły
stałego
się
zapewnić transfonnację
w stan gazowy w takim czasie (przy
otrzymać
fonny), aby
Postulat ten realizuje
metal winno
odlew o
przez odpowiedni dobór
założonym kształcie
głównych
modelu
określonej
jakości.
i
czynników technolo-
gicznych procesu, to jest:
~składu
chemicznego i gęstości modelu,
=> przepuszczalno~ici fonny,
~temperatury
~sposobu
i parametrów
=>ciśnienia
Przebieg
zalewania ciekłego metalu,
zapełniania ciekłym
z
w
metalem fonny,
następujący
wypełnionej
się
topienie i zgazowywanie modelu;
i kolejne porcje metalu
ciekłego
metalu
zapełniają cały
oddziaływuje
modelem polistyrenowym,
sposób: w pierwszym etapie
fonny w sposób nieustabilizowany; pod
rozpoczyna
się
wlewowego,
hydrostatycznego zalewanego metalu.
można przedstawić
wnękę
układu
działaniem
ciekły
metal
pierwszych porcji metalu
zwierciadło ciekłego
poziomy przekrój
wnęki
na model polistyrenowy i wzrasta
zgazowywania; na powierzchni styku metal - model tworzy
się
metalLt podnosi
fonny;
ciśnienie
ciepło
szybkość
jego
szczelina gazowo -
parowa i strefa topienia modelu. W szczelinie gazowo - parowej panuje
w danym momencie
zapełnia
określone
gazów. W pierwszym etapie jest ono zmienne i
zależne
282
od warunków tennofizycznych.
własności
Wielkość
Zależy
wpływ
na
odlewu.
decydujących
Jednym z podstawowych parametrów,
procesu
ciśnienia może mieć
tego
pełnej
ona od
fonny, jest
składu
ilość
gazów
wydzielających się
prawidłowym
przebiegu
z modelu polistyrenowego.
chemicznego i gęstości tworzywa modelu orazjego objętości.
Badania
Celem
o
własne
badań było określenie objętości
i
szybkości
gazowych z próbki polistyrenu spienionego o
wydzielania
określonej
się
gęstości,
produktów
poddanej
zgazowywaniu w określonej temperaturze.
Badania przeprowadzono w Zespole Laboratoriów Atestowanych Instytutu
Odlewnictwa w Krakowie - Laboratorium
określania objętości
wydzielających się
gazów,
wykorzystano polskie
Badań Materiałów
urządzenie
Fonnierskich. Do
z próbek polistyrenu spienionego,
typu PR-45/l200 TF o zakresie temperatury pracy
11
0-1200 °C ± I °C. Badania przeprowadzono w zakresie temperatury 400-1200 C, na
próbkach polistyrenu spienionego o różnej gęstości - w zakresie 20-45 kg/m 3
Określano objętość
ności
od ich
gazów
gęstości,
wydzielających się
ze zgazowywanych próbek, w
zależ­
czasu i temperatury zgazowywania. Próbki wykonane
były
z tego samego gatunku polistyrenu. Proces zgazowywania próbek prowadzono
w szczelnej komorze
urządzenia,
bez dostęp u powietrza.
Na rysunku 1 przedstawiono, uzyskane z wyników
badań,
prLykladowe krqwe
kinetyki wydzielania się gazów z próbek o gęstości 45 kg/m 3 , zgazowywanych
w temperaturze 500 i 1200 °C.
Na rysunku 2 pokazano
wpływ gęstości
badanych próbek na
całkowitą względną
objętość gazów przy zgazowywaniu próbek w temperaturze 500 i 1200 °C, w odnie-
sieniu do
całkowitej objętości
gazów uzyskanej w czasie zgazowywania próbki
o gęstości 25 kg/m 3 , w temperaturze 500 °C.
Natomiast na rysunku 3 przedstawiono wpływ gęstości próbki na średnią
masową szybkość zgazowywania (V m, śr), w temperaturze 500 i 1200 °C.
Uzyskane wyniki
badań wskazują, że objętość
wydzielanych gazów w
wyższeJ
283
·· l
o
50
~~;.;
100
250
200
150
Rys. I . Zależność zmiany objętości gazów, wydzielających się z próbki
3
o gęstości 45 kg/m , od czasu zgazowywania w temperaturze:
I - 500 °C, 2 - 1200 °C
25
35
30
40
45
~~~~~ .Ptóbkif ~lli"!~
Rys . 2 . Całkowita względna objętość wydzielających się
gazów w zaod gęstości ~róbki, dla temperatury zgazowywania:
1-500°C, 2-1200 C
leżności
temperatura'
35
t~t!.~fi>~Ą:~Ifi
~iar.O.,W~Bi.
40
45
Rys . 3 . Średnia masowa szybkość zgazowywania próbki Vm, śr
( 10 6 kg/s) w zależności od jej gęstości, dla temperatury
zgazowywania : l -500 °C, 2- 1200 °C
284
temperaturze ( 1200 °C) jest kilkakrotnie większa, aniżeli w niższej temperaturze
(500 °C). Różnica występuje również w długości czasu zgazowywania próbki o tej
samej objętości i gęstości, w zależności od temperatury zgazowywania; w temperaturze 1200 °C czas zgazowywania jest również kilkakrotnic krótszy, niż w temperaturze 500 °C- rysunki l i 2
W przedstawionych wynikach
badań
obserwuje się wyraźny związek szybkości
destrukcji cieplnej próbek z temperaturą ich zgazowywania; w wyższej temperaturze
szybkość
zgazowywaniajest większa- rysunek 3.
Wpływ
produktów zgazowywania modelu polistyrenowego
na
własności
metalu
Z szybkością zgazowywania modelu polistyrenowego (V), przy określonej
przepuszczalności
ciekłego
formy, związane jest ściśle ciśnienie gazów nad zwierciadłem
metalu [II]. Ciśnienie to oddziaływuje na powłokę ogniotrwałą modelu
i formę, na zwierciadło ciekłego metalu oraz na powierzchnię modelu polistyrenowego,
będącą w
kontakcie ze
strefą zgazowywania.
Z danych literaturowych wynika [4, 8],
wywania modelu polistyrenowego zmienia
lanych gazów, ale
także
poszczególne
że
się
w
zależności
nie tylko
składniki
od temperatury zgazo-
całkowita objętość
(pierwiastki lub
związki
wydzie-
chemiczne)
i ich udział ilościowy w mieszance gazowej. W niższej temperaturze wydzielają się
węglowodory:
wzrost
benzen, toluen, styren; natomiast w temperaturze wyższej następuje
zawartości
CO, C0 2, CI-Lt i H 2 .
Równocześnie
ze wzrostem temperatury
wzrasta całkowita objętość gazów, powstających ze zgazowywania modelu polistyrenowego. Wzrost
wpływ
objętości
i zmienny
skład
mieszank i gazowej
może wywierać
na przebieg reakcji chemicznych, zachodzących między poszczególnymi
składnikami
gazowymi a ciekłym metalem. Wzrost ciśnienia i zmienność mieszanki
gazowej we wnęce formy może powodować zagazowania metalu (w efekcie kotkowym - odlewu). Ponadto, przy wysokiej temperaturze zalewanego metalu i dużych
płaskich
powierzchniach modelu styropianowego, w trakc ie zalewania formy i zgazo-
wywania modelu
może nastąpić
uszkodzenie (lub
zniekształcenie)
cienkiej, ceramicz-
285
nej powłoki ogniotrwałej, powodując wystąpienie szeregu wad odlewów.
Aktualnie prowadzone są dalsze badania nad wzajemnym oddziaływaniem
gazowych produktów destrukcji cieplnej modeli z polistyrenu spienionego i ciekłego
metalu pod kątem zagazowania odlewów otrzymywanych w procesie pełnej
fonny.
Zakończenie
się wzrostową tendencję
W ostatnich kilkunastu latach obserwuje
stosowania
modeli polistyrenowych do wytwarzania skomplikowanych odlewów ze stopów aluminium i stopów
żelaza.
Odlewom tym stawia
się
wysokie wymagania
Technologie wykonywania odlewów, oparte na procesie
pełnej
formy,
jakościowe .
stosują
renomo-
wane firmy, np.: Ford Motor Campany Essex- Kanada, General Motors -USA, Texid
Fiat- Włochy, Peugeot i Citroen - Francja, Morikava - Japonia. Zainteresowanie tych
firm stosowaniem procesu pełnej formy wynika ze znaczącej obniżki kosztów
wytwarzania odlewów i poprawy ich jakości . Kluczem do stosowania modeli z polistyrenu spienionego jest poznanie i opisanie
zachodzących
w formie podczas
zmierzają również
całego
wypełniania
jej
szeregu zjawisk fizykochemicznych,
ciekłym
metalem. W tym kierunku
badania, realizowane w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie.
Literatura
[l) Clegg A.J.: Evaporative Pattem Casting - a Reviev of Recent Developments and Progress.
FoundryTradeJoumal International, 14(1991)2, 72, 74, 76,78-83 .
[2] Dieter H.B., Paoli A.J.: Sand Without Binder for Making Fuli Mould Castings. AFS
Transactions, 67(1959), 147-160.
[3] Jankowski W., Żilłl!iewia Z.: Główne czynniki teclmologi=e w procesic pelnej for.my. Prz.Odlewn,
47(1997)1, 7-10.
(4] Kobzar A.l, Iwaniuk Je.G.: Produkty termiceskoj destrukcji litejnogo penopolistirola.
Lit.Proizv. (1975)7, 31-32.
[S] Lessiter M.J.: lnnovations in Controling the Lost Foam. Modem Casting, 86( 1996) l, 45-48.
[6] Lost foam casting- shaping up to the future. A reviev of the polystyrene moulding technolob'Y
from Foseco. The Britisch Foundryman, 79(1986)12, 466,468-469.
[7] MoU N., Johnson D.: Eliminaring the lustrous carbon defekt with a new moudable foam .
The Britisch Foundryman, 79(1986)12, 458, 460-461, 464 .
[8] Piech K.: Technologie wykonywania odlewów z zastosowaniem modeli z polistyr.:nu
spienionego. Pr.lnst.Odlewnictwa, Kraków, 44(1994)3, 201-216 .
[9] Prało A.: Production despiecesen ałłages d' aluminium procecle ,.Polycast". Hornmes et .Fonderie,
( 1990)204, 27-29.
[IO]Walter Ch., Siefer W.: Einfluss der Gasentwicklung in kaltharzgcbundenen Yollfolmen auf
PutzaufWand und Gussfehler. Teil 2. Einfluss der ScWichte und des Schlichtens auf dic
Gaskonzentration beim Vollformgiessen. Giesserei, 82(1995)3, 91-95.
[Ił ]Żólkiewicz Z.: Praca n.-bad. [nst.Odlewnictwa. Kraków 1993, Z l. 166~,/93.