Recycled materials for the investment casting process

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

107 – 110

20/2

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 0 7 - 1 1 0 107

Recykling materia

ł

owy w procesie

wytapianych modeli

H. Matysiak

a*

, R. Haratym

b

, R. Biernacki

c

a

UCB Materia

ł

y Funkcjonalne Politechniki Warszawskiej, ul. Wo

ł

oska 141, 02-507 Warszawa

b

Wy

ż

sza Szko

ł

a Ekologii i Zarz

ą

dzania, ul. Wawelska 14, 02-061 Warszawa

c

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

*

Contact: e-mail: huba@inmat.pw.edu.pl

Otrzymano 20.05.2010; zaakceptowano do druku 05.06.2010

Streszczenie

W artykule przedstawiono analizę możliwo ci użycia materiałów z recyklingu w procesie wytapianych modeli. Recykling obejmuje mieszanki modelowe i materiały glinokrzemianowe ze zużytych form ceramicznych. Recykling materiałowy był ukierunkowany po pierwsze na zmniejszenie ilo ci odpadów w odlewniach precyzyjnych, po drugie ukazano zastosowanie tych materiałów w bieżącej produkcji dokładnych odlewów. Ponadto uwypuklono aspekt ekologiczny recyklingu z uwagi na energochłonnoć wytwarzania odlewów.

Słowa kluczowe: Metoda wytapianych modeli, Recykling, Modele wytapiane, Formy ceramiczne.

1. Wprowadzenie

Przemysł lotniczy wytwarzający odlewy precyzyjne metodą wytapianych modeli stosuje w procesie produkcyjnym tylko nowe materiały. Materiały nawet po jednokrotnym użyciu są traktowane jako odpad i powinny podlegać przekazaniu ich na odpowiednie wysypiska. W artykule zostanie omówiona możliwoć kilkakrot-nego ich użycia dla otrzymania dokładnych odlewów.

Obecnie najczę ciej w krajowych odlewniach precyzyjnych stosowane są mieszanki parafiny (P) ze stearyną (S) z dodatkiem polietylenu (P0), wosku polietylenowego (Wp) lub innych

dodat-ków zwiększających wytrzymałoć otrzymanych później modeli. Jakoć takich modeli jest niewystarczająca dla otrzymania odlewów o wysokiej dokładno ci i dobrej jako ci powierzchni (Ra

< 5 µm).

Ponadto mieszanki na bazie P i S, wielokrotnie używane wydzielają podczas procesu znaczne ilo ci akroleiny już w tempe-raturze ponad 70 ˚C [1].

Mieszanki wosków twardych, używane w produkcji elemen-tów lotniczych, zawierają zazwyczaj woski naturalne i synte-tyczne, polimery oraz żywicę naturalną. Mieszanki takie są stabilne w temperaturach 100 do 120 ˚C, przy niezbyt długiej pracy. Z tego względu dodatki wosków twardych, jak wosk Blaysona, Castylene i innych po jednokrotnym użyciu, trakto-wane są jako odpad, jednak w połączeniu z parafiną i stearyną mogą stanowić wysokojako ciową mieszankę modelową.

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 0 7 - 1 1 0 108

2. Badania modeli wytapianych

W artykule przedstawiono najprostszą metodę wykorzystania materiałów woskowych odpadowych, które w rzeczywisto ci są dobrą mieszaniną wosków Castylene B405 (około 70%) [2], KC 4017B (około 15%) [3] i A7-FR/60 (około 15%) [4]. W bada-niach zastosowano mieszankę odpadową po dodaniu do parafiny i stearyny, którą porównano z woskiem Blaysona A7-FR/60 oraz stosowaną w odlewni krajowej mieszanką PSWp (Parafina 70%,

Stearyna 20% i Wosk polietylenowy 10%) i mieszanką PSCP0

(parafina 50%, stearyna 30%, cerezyna 19% i polietylen 1%). Mieszanka z uwzględnieniem wosku odpadowego miała nastę pu-jący skład: parafina 50%, stearyna 20% i wosk odpadowy 30% (PSWodp.). Wykonano dwa podstawowe badania jak badania

twardo ci metodą penetracyjną i badania skurczu z uwzglę dnie-niem kształtu schodkowego.

2.1. Badania twardo

ś

ci

Badania twardo ci prowadzono metodą penetracyjną. Penetra-cję przeprowadzono stosując igłę stalową o geometrii kształtu wg normy PN-EN 1426, 2001 r.

Penetrując modele wytapiane igła była wciskana pionowo z siłą około 160 G w czasie równym 5 minut. Aparatura stoso-wana do badań została przedstawiona na rys. 1.

Rys. 1. Penetrometr z indukcyjnym czujnikiem przemieszczeń (przygotowany do pomiaru zagłębienia igły penetracyjnej

ustawionej w położeniu początkowym za pomocą szczelinomierza)

Do badań zastosowano próbki walcowe o grubo ci minimal-nej 20 mm. Zarejestrowano po cztery zagłębienia igły w tempera-turze otoczenia 18 ˚C i 23 ˚C.

Otrzymano następujące rednie wyniki badań dla temperatury 18 ˚C:

- masa Blaysona – 0,62 mm (6,2 j.); - masa PSWp – 1,22 mm (12,2 j.);

- masa PSCP0 – 1,64 mm (16,4 j.);

- masa PSWodp. – 0,84 mm (8,4 j.).

rednie wyniki badań dla temperatury 23 ˚C: - masa Blaysona – 0,85 mm (8,5 j.); - masa PSWp – 1,80 mm (18 j.);

- masa PSCP0 – 2,62 mm (26,2 j.);

- masa PSWodp. – 1,12 mm (11,2 j.).

W nawiasie podano dane w jednostkach penetracji, gdzie 1 jednostka to zagłębienie na 0,1 mm.

2.2. Ocena skurczu sprawdzona na modelach

o kszta

ł

cie schodkowym

Modele schodkowe miały cztery grubo ci schodków od 2 do 12 mm i szeroko ci 25 mm. Próbki wykonywano przy tempera-turze wtrysku od 62 do 65 ˚C i ci nieniu około 1 MPa. W sumie wykonano 93 próbki do badań i otrzymano następujący skurcz:

- masa Blaysona – od 1,00 do 1,63% (1,35%); - masa PSWp – od 1,51 do 1,87% (1,68%);

- masa PSCP0 – od 1,29 do 1,85% (1,58%);

- masa PSWodp. – od 1,32 do 1,80% (1,48%).

Największy skurcz otrzymano dla schodka o grubo ci 12 mm, w nawiasach podano warto ci rednie dla czterech schodków.

2.3. Analiza wyników bada

ń

Porównując mieszankę PSWodp. z mieszanką Blaysona i

ma-teriałami na modele wytapiane stosowane w krajowych odlew-niach precyzyjnych - PSWp i PSCP0, można zauważyć, że

doda-tek masy odpadowej znacznie poprawia wła ciwo ci modeli wytapianych:

− wzrasta wytrzymałoć modeli, co stwierdzono mierząc ich twardoć w jednostkach penetracji;

− wzrasta o około 25 do 50% twardo ć mieszanki z dodatkiem wosków odpadowych PSWodp. w porównaniu do mieszanek

krajowych, jednocze nie mieszanka PSWodp. jest bardziej

odporna na temperaturę.

Skurcz redni mieszanek modelowych PSWodp. jest niższy od

skurczy modeli z mas PSWp i PSCP0 o około 6 do 12%.

Wymienione dane dają możliwoć podwyższenia jako ci modeli po zastosowaniu domieszki wosków odpadowych.

3. Badanie próbek form ceramicznych

3.1. Ocena kszta

ł

tu ziaren materia

ł

ów

ceramicznych

Oceniając materiały ceramiczne stosowane w procesie wyta-pianych modeli (PWM) oprócz składu chemicznego ceramiki ważny jest kształt ziarna, rozszerzalnoć cieplna.

Kształt ziarna oceniano stosując wskaźnik WK, jako stosunek

(pozwala-jące kiej kszt Zast

3.2

prze Stw nych duje wyk i bok odni pom

3.3

nie wyk rozs nom w st któr w kr

Ba

nów prób prze rys. nych wyn a b

e otrzymać dok dokładno ci tałtem ziaren w

tosowano nastę - WK < 1,20 –

- WK > 1,20 <

- WK > 1,34 <

- WK > 1,74 –

2. Ocena pr

ceramiczn

WK o powyżej

epuszczalno ci ierdzono, że r h na bazie glino e praktycznie zm Przepuszczalno konanych w ksz ku około 38 mm

a) dla fo P1N = 0

b) dla for P2R = 0

Różnica w pr iesieniu do P miaru [6] badane

3. Badania t

ceramiczn

Niski współczy odlewów o z konane na baz szerzalno ci w minalnego, co

tosunku do roz ry jest mater

raju w procesie

danie rozsz

Z form ceram w i spoiw wo bek z różnych m edstawicielami

2 i 3 przedstaw Zgodnie z rys. h w 1000 ˚C noszącego od 30 a)dla FC wyk

nowych 0,42

b)dla FC wyk

z odzysku 0,4

A R C H I V E S

kładne formy c wymiarowej, w dużym stopni

ępującą skalę do – kształt zbliżo < 1,34 – kształt < 1,74 – kształt – kształt odłam

rzepuszczal

nych (FC)

j 1,34 daje gwa (przy ilo ci recykling mech

okrzemianów M mniejszenia wsk oć form [5] sp ztałcie sze cian m - wyniosła (w orm z nowy 0,68·10-8 [m2/Pa rm z materiałó 0,595·10-8 [m2/P

rzepuszczalno P1N) odpowiada

ej wielko ci.

termofizyc

nych

ynnik rozszerza zawężonych to zie glinokrzemi 1000 ˚C wyn jest warto ci zszerzalno ci F riałem ceramic e wytapianych m

zerzalno

ś

ci

micznych wyko odnych krzem miejsc tak, aby ze względu na wiono ich rozsze . 2 i 3 rednia

wynosi w o 0 do 40 mm: konanych z now

8+₋0₀,_,016₀₁₈ (%); konanych z m

415+₋0₀,_,027₀₂₈ (%).

O F F O U N D R

eramiczne) dec powinny char u kanciastym l o oceny wskaźn ny do kołoweg t globularny; t kanciasty; mkowy.

lno

ś

ci form

arancję otrzym takich ziaren haniczny zużyty Molochite i Rem

kaźnika WK.

prawdzona dla k nu o zaokrąglon warto ci rednie ych materiałów

a·s];

ów ceramiczny Pa·s].

ci wynosząca a w przybliże

zne form

alno ci FC poz olerancjach wy ianów pozwala noszącej około ią około trzy FC wykonanyc

cznym najczę modeli.

i form cera

onanych na baz mianowych wyc y ich rodzaje by anizotropię bu erzalnoć. a rozszerzalno

dniesieniu do

wych materiałó

materiałów glin

R Y E N G I N E E

cydujące o wy rakteryzować lub odłamkowy nika kształtu WK

o;

m

mania FC o dob powyżej 60% ych FC wykon masilu, nie pow

kilkunastu prób nych krawędzia e):

w ceramiczny

ych z recyklin

około 12% eniu niepewno

zwala na otrzym ymiarowych. F ają na uzyskan 0,45% wymia y razy mniejs h na bazie SiO

ęciej używany

amicznych

zie glinokrzem cięto kilkana yły odpowiedni udowy FC [7].

ć form ceramic wymiaru prób

ów glinokrzem

nokrzemianowy

E R I N G V o l u m

so-się ym. K: brej %). na- wo-bek ach ych ngu (w o ci ma-FC nie aru szą O2,

ym mia-cie imi Na cz-bki mia-ych Ry redn Ry M próbe

Wn

1. M z o 2. F g F g 3. Z i j 4. M

s w

m e 1 0 , S p e c i

ys. 2. Rozszerza nia) wykonanyc

ys. 3. Rozszerza rednia) wykona

Można stwierdz k są niewielkie

nioski

Materiały na m z odzysku stano otrzymania mod Formy ceramic glinokrzemianó FC z wytworzo glinokrzemiano Zastosowanie m

modele wytap ako ci. Materiały odpad sie wytwarzani w porównaniu d

a l I s s u e 2 / 2

alnoć próbek f ch z nowych ma

alnoć próbek f anych z materia

z odzys

zić, że różnice .

modele wytapia owią odpowied deli o wysokiej zne wielowarst w z odzysku m onych z wykorz

wych. materiałów z o piane pozwala

dowe mają niż ia form ceram do nowych mate

0 1 0 , 1 0 7 - 1 1

form ceramiczny ateriałów glinok

form ceramiczny ałów glinokrzem sku

w rozszerzaln

ane zawierające dnie mieszanki

jako ci. twowe wykony mają wła ciwo zystaniem now

odzysku na for otrzymać odle

szą energochło micznych o o eriałów glinokr

0 109

ych (wartoć krzemianowych

ych (wartoć mianowych

no ci badanych

e woski tward i modelowe dl

ywane na bazi ci zbliżone do wych materiałów

rmy ceramiczn ewy o wysokie

onnoć w proce około 2 MJ/kg

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 0 7 - 1 1 0 110

Literatura

[1] K. Janio, B. Kuźnik, L. Lu niak-Lech, Substancje toksyczne wydzielające się w produkcji odlewów metodą wytapianych modeli, Konferencja Odlewnictwa Precyzyjnego, Radom 1977.

[2] Materiały firmy REMET UK Limitem, www.remet.com. [3] Materiały firmy T. Kindt-Collins, Cleveland Ohio. [4] Materiały firmy Blayson Olefines Ltd, Wielka Brytania. [5] H. Matysiak, R. Haratym, K.J. Kurzydłowski, Ocena wła

ci-wo ci wielowarstci-wowych form ceramicznych w aspekcie

ochrony rodowiska, Archives of Foundry Engineering, Vol. 8, Special Issue, Katowice 2008.

[6] J. Arendarski, Niepewno ć pomiarów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.

[7] R. Haratym, Anizotropia wła ciwo ci form ceramicznych w aspekcie dokładno ci odlewów wytworzonych w procesie z przeciwci nieniem, Archiwum Odlewnictwa, Katowice 2004, rocznik 4, nr 13.

[8] J. Tomasik, R. Haratym, No no ć powierzchni odlewów pre-cyzyjnych a wymagania ekologii, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2002, (367 – 372).

Recycled materials for the investment casting process

Abstract