PL165320B1 - Method of making castings in investment moulds being made using foamed plastic patterns - Google Patents

Abstract

1. Sposób odlewania odlewów metalowych metoda traconej pianki pod kontrolowanym cisnieniem, zwlaszcza z aluminium i jego stopów, w którym model odlewanego elementu wykonany z organicznego tworzywa piankowego zanurza sie w formie, której scianki sa ograni- czone kapiela suchego piasku nie zawierajacego zadnego spoiwa, forme napelnia sie metalem w stanie plynnym, który stopniowo zastepuje tworzywo spienione, w miare jego spalania, po czym forme wraz z metalem poddaje sie, najkorzystniej przed rozpoczeciem procesu krzepniecia gazowemu cisnieniu guasiizostatycznemu narastajacemu w czasie, az do osiagniecia stalej war- tosci zawartej w zakresie od 0,5 do 10 MPa, przy czym faza narastajacego gazowego cisnienia wywoluje na powierzchni granicznej pomiedzy stopionym metalem i piaskiem nadcisnienie osiagajace wartosc maksymalna w pierwszych 5 sekundach przyrostu, znamienny tym, ze gazowe cisnienie poczatkowo zwieksza sie z predkoscia zawarta miedzy 0,003 MPa a 0,3 MPa/sek podczas pierwszego okresu trwajacego co najmniej 5 sekund od rozpoczecia wzrostu cisnienia, a nastepnie podczas drugiego okresu z predkoscia przekraczajaca predkosc pierwszego okresu az do uzyskania maksymalnego cisnienia gazowego. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania odlewów metalowych metodą traconej pianki pod kontrolowanym ciśnieniem, zwłaszcza z aluminium i jego stopów.

Znany jest według patentu US nr 3 157924 sposób odlewania za pomocą modeli z pianki polistyrenowej zanurzonych w formie zestawionej z suchego piasku bez środka wiążącego. W tym sposobie odlewany metal jest wstępnie roztopiony i doprowadzony kanałami przelotowymi poprzez piasek do kontaktu z modelem, zajmując stopniowo miejsce pianki na drodze jej spalania i zamiany w opary wylatujące pomiędzy ziarnami piasku. Technika ta miała powodzenie na skalę przymysłową, ponieważ eliminowała ona formowanie, na drodze ubijania i spiekania materiałów sypkich ognioodpornych, sztywnych form zespolonych w sposób prosty lub skomplikowany z rdzeniami za pomocą kanałów, przy czym łatwo odzyskiwano odlewy łącznie z masą formierską do ponownego formowania. Jednak technika ta ma wady powodowane dwoma czynnikami: zbyt wolnym procesem krzepnięcia, który umożliwia powstanie porów gazowych oraz względnie małymi gradientami temperaturowymi, co może się przyczynić do powstawania mikrojam skurczowych, jeżeli trasa odlewania utrudnia nadlewanie.

W celu zapobiegania powyższym niedogodnościom, opracowano sposób odlewania metodą traconej pianki, który był przedmiotem zgłoszenia opublikowanego we Francji pod nr 2 606 688. W tym rozwiązaniu po napełnieniu formy roztopionym metalem, tzn. gdy model piankowy zostaje całkowicie zniszczony przez metal, a wydzielone opary z pianki zostają usunięte, najkorzystniej przed samym krzepnięciem metalu, poddaje się działaniu zarówno formę i metal ciśnieniu gazowemu izostatycznemu. Ciśnienie to jest wywierane według narastających wartości w czasie, przy czym wartość maksymalna uzyskana będzie w czasie krótszym niż 15 sekund. Wartość maksymalną ciśnienia ustalono w granicach 0,5 do 1,5 MPa. Jednak potem w patencie dodatkowym Francji nr 8911 943 zakres ten został rozszerzony do 10 MPa w celu poprawienia wytrzymałości zmęczeniowej wytwarzanych elementów. Stwierdzono przy tym występowanie niekorzystnych

165 320 zjawisk, wpływających ujemnie na jakość odlewu. Jednym z nich jest zjawisko „wżarcia, polegające na wnikaniu płynnego metalu w strefę powierzchniową wnęki formy. Wnikanie to występuje zwłaszcza w przypadku stopów aluminium i miedzi, rzadziej w przypadku żeliwa.

Jeśli wywiera się ciśnienie na formę do odlewania metodą traconej pianki bez zachowania środków ostrożności, to powyższe ciśnienie oddziaływuje z jednej strony bezpośrednio na otwór zasilający w metal, gdzie zostaje ono przekazane praktycznie natychmiastowo na całą masę ciekłego metalu, a z drugiej strony na powierzchnię piasku, gdzie jest przekazywane z natężeniem stopniowo zmniejszającym się wskutek zjawiska straty ciśnienia poprzez ziarna piasku. Wytwarza się więc nierównowaga ciśnienia powodująca różnicę ciśnień Δ P, występujących w metalu i w piasku, na poziomie ich powierzchni granicznej, to znaczy w miejscu gdzie model miał styczność z piaskiem. Różnica ciśnień jest tymczasowa i występuje wkrótce po zastosowaniu ciśnienia, aby następnie zaniknąć. Jeżeli ta różnica ciśnień jest zbyt duża, to wywołuje penetrację metalu pomiędzy ziarna piasku i powoduje odkształcenie powierzchni odlewu. Na tym polega zjawisko zwane “wżarciem“.

Oprócz zjawiska „wżarcia” prowadzącego do odkształcenia elementu, podczas spalania pianki przez metal występowało wstępne skrapianie pianki, a następnie zagazowanie wywołujące takie ciśnienie, że gaz przenikał do metalu, gdzie tworzył pęcherze łącznie z pojawieniem się wtrąceń węgla na skutek niepełnego spalania pozostałości piankowych. W celu wyeliminowania tej nowej wady opracowano sposób, według opisu francuskiego nr 8 903 708, który polega na podwyższeniu ciśnienia z taką prędkością, że w zależności od ziarnistości piasku i głębokości zanurzenia modelu szybko i czasowo wywoływane jest odpowiednie nadciśnienie roztopionego metalu względem piasku, na skutek straty ciśnienia poprzez piasek na poziomie ich powierzchni granicznej, przy czym nadciśnienie osiąga wielkość zawartą pomiędzy dwiema wartościami i opada następnie w miarę jak ciśnienie to narasta, a następnie jest podtrzymywane aż do pełnego krzepnięcia metalu.

Najkorzystniej prędkość przyrostu ciśnienia waha się od 0,003 do 0,3 MPa/sek i jest tym mniejsza im większa jest grubość elementu, przy czym maksymalne nadciśnienie jest uzyskane w czasie krótszym niż 2 sekundy.

Wiadomo, że maksymalne ciśnienie należy przykładać zanim odlewany metal osiągnie pewien stopień krzepnięcia, inaczej korzyść z zastosowania tego ciśnienia jest bardzo ograniczona. Jak stwierdzono już, w celu zapobiegania zjawisku „wżarcia” i przeniknięciu do elementu gazu wytwarzanego w procesie wyparowania pianki, niezbędnie należy utrzymać się w zadanym zakresie nadciśnienia. Zakłada się więc, że w celu uniknięcia zbyt dużego nadciśnienia, należy je najpierw podwyższać w sposób umiarkowany w czasie około dwóch sekund. Jeżeli utrzymuje się ten przyrost na tym samym poziomie podczas całego przebiegu stosowania ciśnienia, stwierdza się, że najczęściej całość metalu jest praktycznie skrzepnięta zanim zostanie osiągnięte maksymalne ciśnienie, a zatem ogranicza się tym samym skuteczność sposobu odlewania. Z tego względu założono, że przyrost ciśnienia będzie dwuetapowy.

Celem wynalazku jest opracowanie odlewania metodą traconej pianki poprzez dobór optymalnych parametrów procesu odlewania pozwalającego na wyeliminowanie ujemnych zjawisk towarzyszących temu procesowi, takich jak „wżarcie” lub wtrącanie węgla.

Sposób odlewania odlewów metalowych według wynalazku, zwłaszcza z aluminium i jego stopów polega na tym, że wykonany z organicznego tworzywa piankowego model odlewanego elementu zanurza się w formie, której ścianki są ograniczone kąpielą suchego piasku bez spoiwa, a formę napełnia się metalem w stanie płynnym. Ciekły metal stopniowo zastępuje tworzywo, w miarę jego spalania. Formę wraz z metalem poddaje się, najkorzystniej przed rozpoczęciem procesu krzepnięcia, ciśnieniu guasiizostatycznemu gazu narastającemu w czasie, aż do osiągnięcia stałej wartości w zakresie od 0,5 do 10 MPa. To narastające ciśnienie wywołuje nadciśnienie w stopionym metalu, względem piasku i swą wartość maksymalną osiąga już po 5 sekundach. Sposób charakteryzuje się tym, że ciśnienie zwiększa się początkowo z prędkością zawartą między 0,003 a 0,3 MPa/sek, podczas pierwszego okresu wzrostu ciśnienia, który trwa co najwyżej 5 sekund od chwili rozpoczęcia wzrostu tego ciśnienia, po czym następuje drugi okres, w którym prędkość

165 320 wzrostu ciśnienia jest większa niż prędkość pierwszego okresu, a wzrost tego ciśnienia trwa aż do uzyskania wartości maksymalnej.

Korzystnie jest jeśli pierwszy okres wzrostu ciśnienia wynosi co najwyżej 2 sekundy. Natomiast prędkość przyrostu ciśnienia jest stała podczas pierwszego i drugiego okresu lub prędkość ta wzrasta w sposób ciągły podczas pierwszego i drugiego okresu. Tak więc prędkość przyrostu ciśnienia można uzyskać w dwojaki sposób, albo stosując dwa etapy, podczas których zostaje zachowana mała stała prędkość, a następnie większa stała prędkość. Wtedy krzywe ciśnienia w funkcji czasu przedstawiają się jako dwa odcinki prostej ze wspólnym punktem położonym dla t^5 sekund. Można to uzyskać ustawiając w obiegu gazu jeden zawór albo dwa zawory o dwóch różnych przekrojach otwarcia. Albo prędkość przyrostu ciśnienia można uzyskać sposobem, podczas którego prędkość ta stale wzrasta. Wtedy krzywa ciśnienia w funkcji czasu jest krzywą ciągle narastającą, na której przy czasie t^5 sekund wartość prędkości V jest mniejsza niż 0,3 MPa/sek. Można to otrzymać za pomocą zaworu o stopniowym przekroju przelotowym.

Przykład, w niczym nieograniczający sposobu według wynalazku polega na przyjęciu prawa otwarcia, dającego liniowy przyrost prędkości w czasie o wzorze dL=_k·,.

dt przy czym zmiana wartości ciśnienia w funkcji czasu wyraża się krzywą paraboliczną o równaniu P = 1/2 · t².

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że można uzyskać właściwe warunki dla uniknięcia zjawiska „wżarcia“ oraz formowania się wtrąceń węglowych osiągając maksymalne ciśnienie, zanim odlewany metal zdąży skrzepnąć.

Sposób według wynalazku jest przedstawiony za pomocą następujących przykładów.

Przykład 1. Odlewa się kolektor silnika spalinowego ze stopu aluminiowego typu A -S7U3G zawierającego wagowo 6,9% krzemu, 3,1% miedzi, 0,3% magnezu, reszta aluminium i zwyczajne zanieczyszczenia.

Kolektor ma grube kołnierze oraz cienkie ścianki grubości 3 mm, dla których czas uzyskania stopnia krzepnięcia 30% jest rzędu 4 sekund; poza tym znaczna długość drogi przepływu metalu powoduje małą prędkość zasilania pod koniec napełniania, co wymuszało dodatkowe podgrzewanie metalu.

Metal odlewa się do formy zaopatrzonej w model z polistyrenu zatopiony w masie formierskiej, przy ciśnieniu maksymalnym 1,5 MPa zgodnie z wynalazkiem następującym sposobem: podczas dwóch pierwszych sekund przyrost wynosi 0,25 MPa/sek aż ciśnienie osiągnie 0,5 MPa, podczas następnych dwóch sekund przyrost wynosi 0,5 MPa/sek aż ciśnienie osiągnie 1,5 MPa.

Wyżej wymieniony sposób postępowania realizuje się za pomocą dwóch zaworów o różnym przekroju otwarcia zamontowanych w obiegu zasilania gazem. W ten sposób uniknięto zjawiska „wżarcia“ oraz wtrącenia węgla do elementu, przy czym uzyskuje się warunki takie, że maksymalne ciśnienie jest uzyskane zanim nastąpi krzepnięcie 30% metalu.

Według znanego sposobu, zastosowanie stopniowanego ciśnienia do 1,5 MPa w czasie wymagałoby 4 sekund, przy przyroście 0,375 MPa/sek, tj. wartości znacznie wyższej od wymaganej granicy według opisu francuskiego nr 8 903 706 o wartości 0,30 MPa/sek.

Przykład II. Odlewa się ramię zawieszenia ze stopu aluminiowego typu A-S7GO,3 o zawartości 7,5% krzemu, 0,25% magnezu, reszta aluminium i normalne zanieczyszczenia. Ramię ma grubość normalną od 6 do 8 mm, przy czym czas uzyskania 30% krzepnięcia jest rzędu 20 sekund. Metal odlewa się do formy przy zastosowaniu maksymalnego ciśnienia 8 MPa zgodnie z wynalazkiem według sposobu polegającym na zastosowaniu zaworu sterowanego, przy czym przyrost ciśnienia według krzywej parabolicznej odpowiada wzorowi P = 2 X 10^2, gdzie P warażone jest w MPa, a t w sekundach, czyli spełniony jest warunek prędkości przyrostu ciśnienia ^_=4 ·10²ί. dt

165 320

Sposób ten pozwala na: uzyskanie w czasie dwóch pierwszych sekund prędkości narastającej mniejszej niż 0,08 MPa/sek, czyli znacznie poniżej granicy 0,30 MPa/sek zalecanej w sposobie według opisu francuskiego nr 8 903 708, w celu uniknięcia zjawiska „wżarcia”, przy czym wyższą od czasu t = 0,075 sek. dolnej granicy 0,003 MPa/sek zapewniającej dobre odprowadzanie gazowanych odpadów i płynu wytwarzanych z modelu, uzyskanie w czasie dopuszczalnych 20 sekund ciśnienia 8 MPa wymaganego aby swobodnie przebiegało zjawisko zagęszczania.

Prowadząc odlewanie w/w sposobem zapobiega się zjawisku „wżarcia” i wtrącania węgla do odlewu, oraz uzyskuje się też warunki, do uzyskania maksymalnego ciśnienia przy 30% skrzepnięcia metalu.

Według znanego opisu, zastosowanie ciśnienia narastającego w czasie wymagałoby dla otrzymania ciśnienia 8 MPa w czasie 20 sekund przyrostu równego 0,4 MPa/sek, czyli wartości przekraczającej wymaganą granicę do uniknięcia zjawiska „wżarcia”.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób odlewania odlewów metalowych metodą traconej pianki pod kontrolowanym ciśnieniem, zwłaszcza z aluminium i jego stopów, w którym model odlewanego elementu wykonany z organicznego tworzywa piankowego zanurza się w formie, której ścianki są ograniczone kąpielą suchego piasku nie zawierającego żadnego spoiwa, formę napełnia się metalem w stanie płynnym, który stopniowo zastępuje tworzywo spienione, w miarę jego spalania, po czym formę wraz z metalem poddaje się, najkorzystniej przed rozpoczęciem procesu krzepnięcia gazowemu ciśnieniu guasiizostatycznemu narastającemu w czasie, aż do osiągnięcia stałej wartości zawartej w zakresie od 0,5 do 10 MPa, przy czym faza narastającego gazowego ciśnienia wywołuje na powierzchni granicznej pomiędzy stopionym metalem i piaskiem nadciśnienie osiągające wartość maksymalną w pierwszych 5 sekundach przyrostu, znamienny tym, że gazowe ciśnienie początkowo zwiększa się z prędkością zawartą między 0,003 MPa a 0,3 MPa/sek podczas pierwszego okresu trwającego co najmniej 5 sekund od rozpoczęcia wzrostu ciśnienia, a następnie podczas drugiego okresu z prędkością przekraczającą prędkość pierwszego okresu aż do uzyskania maksymalnego ciśnienia gazowego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy okres wynosi co najwyżej 2 sekundy.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prędkość przyrostu ciśnienia jest stała podczas pierwszego i drugiego okresu.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prędkość przyrostu ciśnienia wzrasta w sposób ciągły podczas pierwszego i drugiego okresu.