FI93322B - Metallikappaleiden vaahtomallikaavausmenetelmä paineen avulla - Google Patents

Description

93322

Metallikappaleiden vaahtomallikaavausmenetelmä paineen avulla 5 Esillä oleva keksintö koskee metallikappaleiden paineen avulla tapahtuvaa vaahtomallikaavausmenetelmää, joka sisältää seuraavat vaiheet: käytetään kaavattavan kappaleen mallia, joka muodostuu orgaanista ainetta olevasta vaahdosta ja on päällystetty tulenkestävää ainetta olevalla kalvolla; 10 upotetaan mainittu malli valumuottiin, joka muodostuu kuivasta hiekasta ilman sideainetta; täytetään valumuotti sulassa tilassa olevalla metallilla mainitun mallin polttamiseksi; poistetaan mainitusta mallista lähtevät höyryt ja nestemäiset jäännökset; annetaan sulan metallin jähmettyä, 15 jolloin saadaan mainittu kappale; kohdistetaan valumuottiin ennen kuin metallin jähmettynyt osa ylittää 40 paino-% isostaattinen paine, jonka maksimaalinen arvo on välillä 0,5 - 1,5 MPa. Erityisesti keksintö koskee alumiini- ja alu-miiniseostekappaleiden vaahtomallikaavausta paineella.

20

Esim. US-3 157 924:n ohjeiden mukaan on tunnettua käyttää metallien kaavaukseen vaahtomalleja, jotka ovat orgaanista ainetta, kuten polystyreeniä, joka upotetaan valumuottiin, joka on kuivaa hiekkaa, joka ei sisällä mitään sitovaa ai-25 netta. Teollisuudessa nämä mallit on tavallisesti päällys-tetty tulenkestävän aineen kalvolla, jonka tarkoituksena on parantaa kaavattujen kappaleiden laatua. Tällaisessa menetelmässä saatetaan kaavattava metalli, joka on etukäteen sulatettu, kontaktiin mallin kanssa syöttösuuttimen ja hie-30 kan lävistävien kanavien avulla ja se syrjäyttää progressiivisesti mainitun mallin polttaen sen ja muuttaen sen pääasiassa höyryiksi, jotka poistuvat hiekkajyvästen välistä.

Verrattuna klassiseen kaavaukseen valumuotissa, joka ei ole 35 pysyvä, tässä tekniikassa vältetään se, että olisi etukäteen valmistettava puristamalla ja agglomeroimalla jauhemaisia tulenkestäviä aineita jäykkiä valumuotteja, jotka on yhdistetty enemmän tai vähemmän monimutkaisella tavalla valusydä- 2 93322 miin ja sen avulla voidaan ottaa helposti talteen kaavatut kappaleet samoin kuin palauttaa vaivattomasti sykliin kaa-vausaineet.

5 Se on siis yksinkertaisempi ja taloudellisempi kuin klassinen tekniikka. Lisäksi se tarjoaa kaavattujen esineiden suunnittelijoille suuremman vapauden mitä tulee mainittujen kappaleiden muotoon. Sen vuoksi tämä tekniikka on osoittunut yhä houkuttelevammaksi teolliselta kannalta.

10

Sillä on kuitenkin useita varjopuolia, joista kaksi johtuu klassisista metallurgisista mekanismeista, nimittäin: suhteellisen hidas jähmettyminen, mikä edistää valukuoppien 15 muodostumista, jotka aiheutuvat nestemäiseen alumiiniseos-teeseen liuenneesta vedystä, ja termisten gradienttien suhteellinen heikkous, mikä edistää mikrovaluonteloiden muodostumista.

20 Tällaisten haittojen välttämiseksi on ehdotettu FR-patent-tihakemuksessa 2 606 588 keksintöä, jossa valumuottiin kohdistetaan täyttämisen jälkeen ja ennen kuin metallin jähmettynyt osa ylittää 40 paino-%, isostaattinen kaasun paine, jonka maksimaalinen arvo on välillä 0,5 - 1,5 MPa.

25 ·;··· Mainitun keksinnön mukainen menetelmä käsitti vaahtomalli-kaavauksen klassiset vaiheet, nimittäin: käytetään kaavattavan kappaleen mallia, joka muodostuu or-30 gaanista ainetta olevasta vaahdosta ja on päällystetty tulenkestävää ainetta olevalla kalvolla; • · | upotetaan mainittu malli valumuottiin, joka muodostuu kuivasta hiekasta ilman sideainetta; täytetään valumuotti sulassa tilassa olevalla metallilla 35 mainitun mallin polttamiseksi ja tämä täyttö suoritetaan syöttösuuttimen välityksellä, joka saattaa mallin valumuotin ulkopuolen kanssa yhteyteen; . . ·

Il : 93322 3 poistetaan mainitusta mallista sen palamisen aikana lähteneet höyryt ja nestemäiset jäännökset ja annetaan sulan metallin jähmettyä, jolloin saadaan kappale.

5 Mutta keksintöä oli parannettu siinä mielessä, että kun valumuotti oli tullut täysin täyteen, so. kun metalli oli syrjäyttänyt täysin mallin ja suurin osa höyryistä oli poistunut, valumuottiin kohdistettiin kaasun paine; tämä toimenpide voitiin suorittaa panemalla valumuotti kammioon, joka 10 voitiin pitää paineessa ja yhdistää paineen alaisen kaasun lähteeseen.

Tämä toimenpide voitiin suorittaa välittömästi täytön jälkeen silloin kun metalli oli vielä täysin nestemäistä, mutta 15 se voi tapahtua vielä myöhemminkin sikäli kuin valumuotissa olevan metallin jähmettynyt osa ei ylitä 40 %, jonka arvon yläpuolella paineen vaikutus olisi mitätön.

Käytetty paine oli mieluimmin korkeintaan välillä 0,5 - 1,5 20 MPa; alle 0,5 MPa on vaikutukseltaan riittämätön ja yli 1,5 MPa arvo aiheuttaa korkeita käyttökustannuksia.

Silloin todettiin, että kappaleiden tiiviyttä voitiin huomattavasti lisätä poistamalla tai ainakin vähentämällä kaa-25 sun aiheuttamia valukuoppia ja mikrovaluonteloita ja paranja: nettiin tällä tavoin niiden tyypillisiä mekaanisia ominai suuksia. Tämä aiheutti kuitenkin uuden haitan ilmentymisen, jota kutsutaan "valuviaksi".

30 Jos nimittäin kohdistetaan vaahtomallikaavauksen valumuottiin paine ilman lisävarotoimia, mainittu paine kohdistuu yhtäältä suoraan metallin syöttösuuttimeen, josta se välit- * tyy käytännöllisesti katsoen silmänräpäyksessä koko nestemäisen metallin massaan, toisaalta hiekan pintaan, josta se 35 välittyy progressiivisesti heikkenevällä voimakkuudella kaa-susyötön häviön vaikutuksesta hiekkajyvästen läpi. Syntyy siis paineen epätasapaino, mikä aiheuttaa metallin ylipaineen Δ P hiekkaan nähden jakopinnalla, so. siinä missä malli 93322 4 oli kontaktissa hiekan kanssa. Tämä epätasapaino on hetkellinen ja se esiintyy vähän sen jälkeen kun paine on kohdistettu ja resorboituu sen jälkeen.

5 Jos tämä ylipaine on liian suuri, se aiheuttaa metallin tunkeutumisen hiekkajyvästen väliin ja aikaansaa kappaleen pinnan deformoitumisen. Juuri tämä on "valuviaksi" nimitetty ilmiö. Sen ehkäisemiseksi oli siis yritettävä pienentää mahdollisimman paljon tätä ylipainetta ja siinä onnistuttiin 10 päävaatimuksessa kohdistamalla paine, joka kasvaa progressiivisesti ajan kanssa arvosta 0 haluttuun maksimaaliseen arvoon saakka, minkä jälkeen pidettiin yllä tämä paine metallin täydelliseen jähmettymiseen saakka. Mitä heikompi paine on alussa, sitä pienempi on epätasapaino. On siis mää-15 rättävä riittävän pieni paineen kasvunopeus, jotta saataisiin pienempi ylipaine.

Mutta tämän valuviksiImiδη ja edellä mainittujen klassisten metallurgisten mekanismien aiheuttamien haittojen lisäksi, 20 joihin oli keksitty ratkaisu, on huomattu kaksi muuta haittaa, jotka ovat vaahtomallikaavausmenetelmälle ehdottoman spesifisten mekanismien aiheuttamia ja jotka ovat: kaasurakkuloiden muodostuminen, jotka aiheuttavat vaahdon 25 kaasumaisista jäännöksistä, ja hiili-inkluusioiden muodostuminen, jotka liittyvät oksidei-hin ja ovat seurauksena nestemäisen alumiiniseosteen kontaktista vaahdon hiilipitoisten jäännösten kanssa.

30 SU-julkaisussa 1 079 353 (keksijän todistus) on kuvattu tavanomaisessa savi-hiekkamuotissa jähmettyvä valu ja esitet-... ty, että valun jähmettyminen korotetussa paineessa vähentää huokoisuutta ja johtaa suurempaan valanteen tiheyteen. Lisätty paine johtaa kuitenkin hiekan mekaaniseen kiinnipala-35 miseen, mikä johtuu paineen aiheuttamasta paine-erosta sulan pinnan kautta tulevan paineen ja sen paineen välillä, joka syntyy valuhiekan huokosten kautta sulan ja hiekan rajapin-nalle. Hiekan kiinnipalamisen vähentämiseksi tässä julkai- n 93322 5 sussa ehdotetaan paineen lisäämistä jaksottaisesti valanteen kiteytymisen mukana, jolloin painetta lisätään 0,1 - 0,2 MPa askelin ja 0,2 - 0,4 sekunnin välein, jolloin paine pidetään 1-5 sekunnin ajan. Peräkkäiset paineen lisäykset toteute-5 taan, kun järjestelmän paine on sama kuin metallin ja muotin rajapinnassa, jolloin paine-ero on nolla. Paineeniisäysvai-heiden lukumäärä valitaan siten, ettei paine-ero missään vaiheessa nouse kriittisen paineen yläpuolelle ja jokaisen paineeniisäyksen jälkeen painetta ylläpidetään, kunnes jär-10 jestelmän paine saa aikaan sen, että paineet järjestelmässä ja metalli-muotti-rajapinnassa tulevat yhtä suuriksi.

Tämä on ollut syynä lisätutkimuksiin, jotka ovat päätyneet seuraaviin johtopääteImiin. Edellä kuvatut ongelmat saadaan 15 ratkaistuiksi keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Kuten edellä on havaittu, vaahtomallikaavauksen teollisessa 20 käytännössä päällystetään mallit tulenkestävän aineen kalvolla, joka muodostuu tavallisesti sideaineen avulla agglo-meroidun keraamisen aineen hiukkasista. Tämä kalvo toimii seuraavasti: nestemäisen metallin kaatamishetkellä poistuu useimmiten polystyreenistä valmistettu vaahto sekä kaasumai-25 sessa että nestemäisessä muodossa. Tulenkestävän kerroksen ...,t tehtävänä on säädellä kaasumaisen muodon poistumista läpäi sykykynsä avulla ja absorboida nestemäinen muoto. Yleensä on kappaleessa oltava läpäisykyky, jotta varmistetaan kaasutyy-nyn pysyminen nestemäisen metallin ja vaahdon välissä ja 30 absorboimiskyvyn on oltava maksimaalinen nestemäisten jäännösten poistamista varten.

•

Valumuotin täyttämisen loputtua on tulenkestävä kerros jäännösten kyllästämä ja ylimäärä kyllästykseen nähden on pois-35 tunut hiekkaan. Valumuotissa on siis metalli, jonka lämpötila on 600 - 800°C kontaktissa tämän orgaanisella aineella kyllästetyn kerroksen kanssa, josta voi aiheutua nesteen kaasuuntuminen, mikä synnyttää tällöin paineen siten, että 93322 6 kaasua tunkeutuu metalliin ja muodostaa siinä kaasurakkuloi-ta ja aiheuttaa siinä hiili-inkluusioiden ilmestymisen, jotka ovat peräisin vaahdon jäännösten epätäydellisestä palamisesta.

5 Tämän haitan välttämiseksi on siis synnytettävä riittävä ylipaine nestemäisessä metallissa siihen kohtaan nähden, joka on hiekassa kalvon takana, niin että aikaansaadaan kaasumaisten ja nestemäisten jäännösten poistuminen hiekkaan 10 päin ja estetään täten niiden pääseminen metalliin.

Mutta tämä on vastakkaista ratkaisulle, joka tehtiin valuvi-an välttämiseksi, jonka mukaan vähennettiin mahdollisimman paljon paineen kasvunopeutta tämän ylipaineen pienentämisek-15 si mahdollisimman paljon.

Näin on keksitty, että on ehdottoman tärkeätä, jotta vältettäisiin valuvika ja jäännösten tunkeutuminen metalliin, pysyä ylipaineen rajojen sisällä, mikä merkitsee keksinnön mu-20 kaista parannusta, joka käsittää sen, että käytetään sellaista paineen kasvunopeutta, että hiekan granulometriasta ja mallin upotussyvyydestä riippuen se aikaansaa nopeasti ja hetkellisesti kaasusyötön häviön vaikutuksesta hiekan läpi sulan metallin ylipaineen hiekkaan nähden niiden jakopinnas-25 sa ja tämä ylipaine saavuttaa arvon, joka on kahden rajan sisäpuolella ja heikkenee sitten sitä mukaa kuin mainittu paine kasvaa ja pidetään sitten mainittu paine vakiona täydelliseen jähmettymiseen saakka.

30 Tämän nopeus on mieluimmin välillä 0,003 - 0,3 MPa sekunnissa ja se on sitä pienempi mitä suurempi on kappaleen paksuus .. ja tämän haarukan ulkopuolella olevat nopeusarvot saavat ( k .

aikaan jommankumman haitan tulemisen vallitsevaksi.

35 Tämän nopeuden on tietenkin otettava huomioon kaasusyötön häviö valinnallin läpi, so. hiekan granulometria ja myös mallin upotussyvyys hiekassa.

93322 7 Tämän vuoksi se valitaan näiden parametrien mukaan ja siten, että saadaan ylipaineen arvoja, jotka ovat välillä 0,001 -0,030 MPa ja mieluimmin välillä 0,002 - 0,010 MPa.

5 Tämä ylipaine on tarpeen ainoastaan kriittisen vaiheen aikana, joka seuraa välittömästi kappaleen täyttämistä ja jolloin kalvo on vielä ei täysin höyrystyneiden aineiden kyllästämä. Tämä ylipaine saavutetaan mieluimmin alle 2 sekunnissa paineen aloituksesta, hetkellä jolloin valuvikailmiö 10 on kaikkein voimakkain.

Keksintöä voidaan havainnollistaa seuraavien sovellutusesimerkkien avulla, jotka koskevat sisäpolttomoottorin virran-kokoojan ja sylinterin kannen valamista olosuhteissa, joissa 15 otetaan huomioon hiekan granulometria ja mallin upotussyvyys vaadittujen ylipaineen rajojen sisällä pysymiseksi.

Nämä olosuhteet ja käytettyjen valumuottien parametrit ovat seuraavassa taulukossa 1: 20 1 4 93322 8 Tänliikkn 1 ifo_1_2_3 teineen käyttäminen Ifeti täyttämisen Heti täyttämisen Kun jähmetty- lcputtua loputtua ndsaste en noussut 35 _friiin_

Kappaleen tyyppi Vireän kokoaja Sylinterin kansi Sylinterin _kansi_

Hiekan granulcmetria 48 48 100 AES:inä *

Jafrnefctymisen kestoaika 60 240 240 sekunneissa

Kappaleen paksuus 4 8 8 millimetreissä teineen kasvun kesto 12 46 80

välillä 0-0,8 MS

sekunneissa . ^teineen kasvun nopeus 0,066 0,017 0,01 Mä/s tfeksinaalinen P Mäissä 0,0097 0,0046 0,0030

Mallin upotussyvyys 250 450 450 . nrillinetreissä

Aika, joka tarvitaan maksi- 0,9 0,6 0,4 maaliseen ylipaineessa! pääsemiseksi sekunneissa : 1AFS = Amerikkalainen kansainvälisesti tunnettu gramlcnretrinai normi.

II

93322 9 Näin kaavatuissa kappaleissa oli hyvin vähän kaasurakkuloita eikä yhtään hiilikovettumaa, mikä osoittaa keksinnön mukaisen parannuksen tehokkuutta. 1 «

Claims (3)

93322

1. Metallikappaleiden paineen avulla tapahtuva vaahtomal-likaavausmenetelmä, joka sisältää seuraavat vaiheet: 5 käytetään kaavattavan kappaleen mallia, joka muodostuu orgaanista ainetta olevasta vaahdosta ja on päällystetty tulenkestävää ainetta olevalla kalvolla; upotetaan mainittu malli valumuottiin, joka muodostuu kuivasta hiekasta ilman sideainetta; 10 täytetään valumuotti sulassa tilassa olevalla metallilla mainitun mallin polttamiseksi; poistetaan mainitusta mallista lähtevät höyryt ja nestemäiset jäännökset; annetaan sulan metallin jähmettyä, jolloin saadaan mainittu 15 kappale; kohdistetaan valumuottiin ennen kuin metallin jähmettynyt osa ylittää 40 paino-%, isostaattinen paine, jonka maksimaalinen arvo on välillä 0,5 - 1,5 MPa, tunnettu siitä, että mainittu paine nousee nopeudella, joka on välillä 0,003 -20 0,3 MPa/s ja sitä pienempi mitä suurempi on kappaleen pak suus, että hiekan granulometriasta ja mallin upotussyvyydestä riippuen se synnyttää nopeasti ja hetkellisesti kaasu-syötön häviön johdosta hiekan läpi sulan metallin ylipaineen hiekkaan nähden niiden rajapinnalla ja tämä ylipaine saavut-25 taa arvon, joka on välillä 0,001 - 0,030 MPa ja laskee sit-··*,' ten sitä mukaa kuin mainittu paine kasvaa ja sen jälkeen pi detään mainittu paine vakiona täydelliseen jähmettymiseen saakka.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että mainitun ylipaine on välillä 0,002 - 0,010 MPa. • ·

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maksimaalinen ylipaine saavutetaan alle 2 sekunnis-35 sa. ti! 93322