The quality of castings obtained during lost-wax and Replicast CS processes in aspect of ecology

A R C H I V E S

o f

F O U N D R Y E N G I N E E R I N G

Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences

ISSN (1897-3310)

Volume 10

Special Issue 2/2010

151 – 155

28/2

A R C H I V E S O F F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 0 , S p e c i a l I s s u e 2 / 2 0 1 0 , 1 5 1 - 1 5 5 151

Jako

ść

odlewów w procesie wytapianych

modeli oraz Replicast CS w aspekcie ekologii

J. Tomasik

a,

*, R. Haratym

b

,

M. K

łę

bczyk

c

a

Instytut Metrologii i In

ż

ynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej ul. w. A. Boboli 8,02-525 Warszawa, Polska

b

Wy

ż

sza Szko

ł

a Ekologii i Zarz

ą

dzania, ul. Wawelska 14, 02-061 Warszawa, Polska

b

Instytut Technik Wytwarzania Politechniki Warszawskiej, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska

*Contact: e-mail: j.tomasik@mchtr.pw.edu.pl

Abstract

W artykule przedstawiono porównanie jako ci odlewów wykonanych metodą wytapianych modeli na bazie modeli z mieszanek otrzymanych głównie z recyklingu z odlewami wykonanymi w procesie Replicast CS.

W ramach oceny jako ci sprawdzono parametry mikrogeometrii powierzchni odlewów oraz dokładno ci wymiarowej. Dokładno ć wymiarowa obejmuje ponadto odchyłki wymiarowe w fazie wykonania modeli wytapianych, modeli z polistyrenu spienionego oraz form ceramicznych. Dokonano oceny jako ci odlewów w aspekcie ekologii.

Słowa kluczowe: Jakoć, Proces wytapianych modeli, Replicast CS

.

1.Wprowadzenie

Dotychczas prowadzone były próby oceny dokładno ci wymiarowej i jako ci odlewów precyzyjnych w procesie Replicast CS, ale dotyczyły one produkcji odlewów ze stopu Al, co przedstawiono w literaturze [1], [2] i [3]. Ponadto odlewy były w postaci prostopadło cianów.

W przypadku odlewów wykonanych metodą wytapianych modeli (MWM) nie poruszano dotychczas tematu wytwarzania modeli na bazie mieszanek otrzymanych z recyklingu.

2. Ocena dok

ł

adno

ś

ci odlewów i modeli

wykonanych metod

ą

wytapianych

modeli (MWM)

Dokładno ć odlewów szacowano przez obliczenie sze ciosigmowej odchyłki wykonania

Δ

L

_6σ.

Ogólnie

Δ

L

_6σwynosi:

2 2 2

6 M f u

L

_σ

=

δ

+

δ

+

δ

Δ

(1)

gdzie: a)

δ

_M-błędy wykonania modeli

b)

δ

_f- błędy wykonania formy ceramicznej

c)

δ

_u- błędy związane ze skurczem ciekłego metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewów W przypadku oceny błędów

δ

uwzględniamy błędy powstałe podczas pomiarów [4].

A R C H I V E S O F F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 0 , S p e c i a l I s s u e 2 / 2 0 1 0 , 1 5 1 - 1 5 5 152

Rys. 1. Model odlewu schodkowego

Mieszanka modelowa była mieszaniną wosków twardych (recykling)

Dokonano oceny szeroko ci schodków modeli o wymiarze około 25mm (dla wymiaru matrycy).

Oszacowano warto ć

δ

_{M( )6σ} modeli dla wykonanych 60 sztuk modeli wytapianych ze wzoru:

(

)

n

X

X

−

_i 2

Σ

=

σ

(2)

oraz

( )

σ

δ

M 6σ

=

6

,

gdzie: −

X

– warto ć rednia dla 60 modeli

i

X

– kolejny wymiar modelu n – iloć modeli

otrzymano wartoć: ( )σ

δ

M16 = 0,12mm (dla modułu 0,8cm)

oraz

( )σ

δ

M₂6 = 0,10mm (dla modułu 0,1cm)

Odrzucono wymiary odstające.

Ponadto wykonano 11 sztuk modeli z wosku twardego Blaysona (A7-FR60) dla których otrzymano także:

( )σ

δ

M16 = 0,13mm (dla modułu 0,9cm)

Jak widać dokładno ć modeli z recyklingu jest zbliżona do dokładno ci modeli z masy nowej Blaysona.

Na bazie modeli z recyklingu wykonano odlewy z żeliwa sferoidalnego, wartoć

Δ

L

_6σ obliczona dla warto ci 6σ wynosi około 0,23mm co wiadczy o tym, że odlewy są dokładne.

Dla małych wymiarów L około 25mm,

Δ

L

_6σokoło 0,9% Lnom, co należy zaliczyć do odlewów dokładnych, gdyż forma

ceramiczna była wykonana na bazie SiO2.

3. Ocena dok

ł

adno

ś

ci odlewów

wykonanych w procesie Replicast CS

Kształt modelu z polistyrenu spienionego przedstawiono na rys. 2.

Oszacowano wymiar szeroko ci modelu. Wykonano pomiary 14 sztuk odlewów. Otrzymano następujące wyniki:

Rys. 2. Rodzaj odlewu poddany badaniu dokładno ci wymiarowej

σ 6

S

= 0,34mm −

S

rednie równe 39,35mm co daje wartoćΔL6σ=0,86%Lnom

Odlewy były wykonane ze staliwa o zawarto ci 0,4%C i około 0,5% Cr w formach na bazie glinokrzemianów.

Otrzymano odlewy mające

Δ

L

_6σzbliżone do dokładno ci odlewów sferoidalnych wykonanych na bazie modeli z recyklingu mieszanek modelowych wosków twardych (70% Castylene B405 oraz po 15% wosku Blaysona i KC 4017B).

4. Jako

ść

odlewów otrzymanych MWM

i Replicast CS

Jakoć odlewów rozpatrujemy oceniając stan powierzchni – mikrogeometrię powierzchni będącą odbiciem powierzchni formy ceramicznej, która po rednio w dużym stopniu zależy od wła ciwo ci powierzchni modelu.

Do oceny parametrów powierzchni formy ceramicznej, która była wykonana na bazie materiałów ceramicznych SiO2

i glinokrzemianowych oraz spoiwa krzemianowego wodnego, wykorzystano profilometr cyfrowy S3P firmy Perthen Mahr. Oceniano parametry Ra, Rz, Rmax.

Na podstawie kilkunastu profilogramów i zdjęć powierzchni formy ceramicznej (FC) ustalono, że rednia rednica zagłębienia wynosi od około 0,08mm do 0,10mm za rednia głębokoć około 15mm przy niepewno ci oceny wymienionych parametrów od 10 do 20μm.

Zwilżanie powierzchni modeli wytapianych (także z recyk-lingu) przez ciekłą mieszankę ceramiczną zawarta jest między 40 i 60% co czę ciowo potwierdzają inne badania [9]. Jednocze nie FC jest na swojej powierzchni w skali globalnej – anizotropowa [3], co powoduje zróżnicowanie warto ci mikrogeometrii powierzchni odlewów w zależno ci od jej położenia względem wlewu głównego.

4.1. Ocena jako

ś

ci powierzchni odlewów

wykonanych w procesie Replicast CS

Badaniom jako ci powierzchni zostały poddane dwa rodzaje odlewów – A i B (rys.3), które różnią się od siebie wymiarami i metodą wykonania FC, z uwagi na materiały ceramiczne

A R C H I V E S O F F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 0 , S p e c i a l I s s u e 2 / 2 0 1 0 , 1 5 1 - 1 5 5 153

Rodzaj „A” Rodzaj „B”

Rys. 3. Rodzaje odlewów poddane badaniom jako ci powierzchni

Badania zostały przeprowadzone na skomputeryzowanym stanowisku z profilometrem cyfrowym firmy Perthen Mehr. Badaniom poddano 9 odlewów typu B oraz 17 odlewów typu A. Wszystkie odlewy zostały wykonane ze staliwa niskostopowego 0,4% C i 0,5%Cr. Podczas zalewania form ceramicznych ciekłym metalem, temperatura spustu wynosiła 1610°C, temperatura kadzi 1570°C, a temperatura FC zawierała się między 600°C i 800°C. Wyniki pomiarów jako ci powierzchni prezentuje tablica 1. Przykładowe wykresy chropowato ci powierzchni przedstawiono na rys. 4 i rys. 5.

Tabela 1.

Jakoć powierzchni odlewów wykonanych ze staliwa niskostopowego w rożnych rodzajach FC (rys.3)

Rodzaj

odlewu _Lp.

Parametr mierzony

Ra [μm] Rodzaj FC

Rodzaj materiału ceramicznego

w CMC

Nośność powierzchni

tp50 (dla Rmax=50%)

z w

Rodzaj odlewu „B”

1. 3,51 3,72

FCA – N Remasil nowy

58 do 79% ( r 66%) 2. 4,33 4,59

3. 4,81 5,36

4. 3,97 6,88

5. 4,96 5,45

6. 5,39 4,2

FCB+FCC

Rz+R Remasil nowy

36 do 72 % ( r 57%) 7. 3,45 5,75

8. 4,7 4,7

9. 5,23 5,63

Rodzaj odlewu „A”

10. 4,38 6,26

FCA

N1+N2 Remasil nowy

53 do 79 % ( r 66%) 11. 3,66 5,11

12. 3,75 6,44

13. 3,78 4,84

14. 4,21 4,56

15. 4,03 6,32

16. 4,56 6,27

17. 3,95 5,84

18. 3,59 5,2

FCB R1+R2

Molochite z odzysku

52 do 70 % ( r 61,5%) 19. 3,51 5,84

20. 3,95 6,09

21. 3,88 4,82

22. 4,82 5,62

23. 5,26 5,69

FCC – Rz Molochite z odzysku

36 do 61% ( r 52,5%) 24. 3,89 4,88

25. 3,75 6,09

26. 4,1 4,82

27. 3,68 5,36

FCA (N) – formy ceramiczne nowe, materiał ceramiczny –

glinokrzemian Molochite, spoiwo krzemianowe nowe z polimerami – Remasol Ultra i Ludox SK.

FCA (N1) – formy ceramiczne nowe, materiał ceramiczny –

glinokrzemian Molochite i Remasil, spoiwo jak dla FCA (N). FCB+FCC (Rz+R) – formy ceramiczne wykonane po recyklingu

z materiałów zarówno z odlewni Radomia jak i z WSK Rzeszów. FCB (R1+R2) – formy ceramiczne wykonane po recyklingu

materiałów ceramicznych Molochite z odlewni z Radomia – spoiwa jak w formach FCA (N).

FCC (Rz) – formy ceramiczne wykonane po recyklingu

materiałów z WSK Rzeszów – Remasil, spoiwa jak w formach FCA (N).

Gdzie w tablicy 1: z – powierzchnie zewnętrzne,

w – powierzchnie ustalone w odniesieniu do powierzchni wlewu głównego

Tabela 2.

Zestawienie warto ci rednich parametru Ra w zależno ci od rodzaju formy ceramicznej i rodzaju odlewów

Odlewy – rodzaj „B” Odlewy – rodzaj „A”

FCA (N)

FCB+FCC (R+Rz)

FCA (N1+N2)

FCB (R1+R2)

FCC (Rz) rednia wartoć Ra dla wymiaru „z”

4,31 μm 4,69 μm 4,04 μm 3,95 μm 4,13μm

rednia wartoć

Ra dla wymiaru

„w”

5,2 μm 5,07 μm 5,7 μm 5,51μm 5,36μm

Analizując tablicę 2 widać, że rednie warto ci parametru Ra dla powierzchni „z” i „w” odlewów wykonanych w formach ceramicznych po recyklingu są bardzo zbliżone do warto ci Ra dla powierzchni odlewów wykonanych w formach ceramicznych „nowych” – N.

A R C H I V E S O F F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 0 , S p e c i a l I s s u e 2 / 2 0 1 0 , 1 5 1 - 1 5 5 154

W przypadku odlewów typu „A” różnica w rednich warto ciach parametru Ra wynosi dla powierzchni „z” – 3% oraz dla powierzchni „w” – 6%.

No no ć powierzchni odlewów tp50 (dla Rmax=50%) wynosi

rednio:

a) gdy formy są nowe około 63%,

b) gdy formy są z materiałów z recyklingu tp50 wynosi

około 57%.

Różnica między nimi jest zaledwie około 10%.

Rys.4. Badany odlew A Rys.5. Badany odlew B

4.2. Ocena jako

ś

ci powierzchni odlewów

wykonanych MWM

Opierając się na badaniach [10] otrzymujemy następujące wyniki parametru chropowato ci Ra. Ramin=3,27μm oraz

Ramax=6,61μm, gdy mieszanka modelowa jest oparta na nowych

materiałach – woskach twardych Blaysona i Castylene.

W przypadku odlewów ze staliwa węglowego 0,6%C [11] (odlew o redniej grubo ci cianki 7mm) otrzymano Rar=5,16μm

dla zbadanych kilkunastu odlewów.

5. Analiza wyników bada

ń

Porównując metodę Replicast CS z MWM otrzymano: 1. Zbliżone warto ci dokładno ci odlewów

Δ

L

_6σ-0,86%

i 0,90%Lnom.

2. Globalna wartoć Ra dla MWM wynosi 4,94

μ

m (wartoć

rednia bez uwzględnienia powierzchni „z” i „w”).

3. W procesie Replicast CS nie stwierdzono większych różnic w Ra (>10%) między odlewami wykonanymi w formach (N)

i (R, Rz) – tablica 2.

4. Otrzymano zbliżone warto ci Ra dla odlewów wykonanych

w MWM dla modeli z mieszanek nowych i po recyklingu.

5. Wartoć Ra przy ocenie globalnej jest zbliżona dla odlewów

wykonanych w MWM (Rar=4,94

μ

m) i Replicast CS

(Rar~5,02

μ

m).

6. Wnioski

1. Stosowanie materiałów odpadowych na wytwarzanie modeli wytapianych i form ceramicznych (FC) nie obniża jako ci odlewów precyzyjnych.

2. Proces Replicast CS nie powoduje pogorszenia jako ci odlewów w porównaniu do MWM.

3. Proces Replicast CS obniża koszt wykonania odlewów, brak fazy usuwania modeli z FC i zmniejszenie ilo ci warstw FC. 4. Korzy ci ekologiczne – zmniejszenie ilo ci odpadów oraz

zmniejszenie energochłonno ci wytwarzania odlewów w MWM i Replicast CS.

Literatura

[1] R. Haratym, Jakoć odlewów w procesie Replicast CS w aspekcie ochrony rodowiska, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 4, nr 13, Katowice 2004.

[2] R. Haratym, Dokładno ć wymiarowa odlewów wykona-nych w procesie Replicast CS, Archiwum Odlewnictwa rocznik 3, nr 9, Katowice 2003.

[3] R. Haratym, Anizotropia własno ci form ceramicznych w aspekcie dokładno ci odlewów wytworzonych w procesie z przeciwci nieniem, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 5, nr 15, Katowice 2005.

[4] J. Arendarski, Niepewno ć pomiarów, Oficyna Wydaw-nicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003

[5] M. Szweycer, Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa w Krakowie, Kraków 1996.

[6] R. Haratym, Mikrogeometria wielowarstwowych form ceramicznych, Archiwum Technologii Maszyn i Auto-matyzacji nr 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.

[7] S. D. Snow, D. H. Scott, Comparing Fused Silica and Alumino – Silicate Investment Refractories, Incast April 2001.

[8] T. S. Piwonka, J. M. Wiest, Factors Affecting Investment Casting Pattern Die Dimensions, Incast June 1998. [9] A. Karwiński, W. Le niewski, P. Wieliczko, Wpływ

dodatku włókien ceramicznych na powstanie warstwy ceramicznej w metodzie wytapianych modeli, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji nr 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.

[10] D. Myszka, R. Haratym, R. Biernacki, Jakoć odlewów precyzyjnych z żeliwa sferoidalnego a energochłonnoć ich wytwarzania, Archives of Foundry Engineering, vol. 8, Special Issue 2/2008.

A R C H I V E S O F F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 0 , S p e c i a l I s s u e 2 / 2 0 1 0 , 1 5 1 - 1 5 5 155

The quality of castings obtained during lost-wax

and Replicast CS processes in aspect of ecology

Abstract

In the article it was presented comparison of castings quality obtained during lost-wax process in case of recycled wax mixture and castings obtained during Replicast CS process.