PL165322B1 - Sposób odlewania metodą traconej pianki I pod ciśnieniem, metalu - Google Patents

Abstract

Sposób odlewania metodą traconej pianki i pod ciśnieniem metalu, zgodnie z którym wykonuje się model odlewu z pianki substancji organicznej powleczonej warstewką materiału ogniotrwałego, zanurza się ten model w formie utworzonej z suchego piasku bez środka wiążącego, napełnia się formę stopionym metalem spalając model, usuwa się opary i ciekłe pozostałości wydzielone przez model i pozostawia się stopiony metal do skrzepnięcia wywierając na formę ciśnienie izostatyczne o wartości maksymalnej zawartej między 0,5 MPa i 1,5 MPa zanim ilość skrzepniętej frakcji metalu przekroczy 40% wagowych, znamienny tym, że wartość ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia modelu wytwarza się szybko i przejściowo (przez stratę ciśnienia poprzez piasek) wyższe ciśnienie w stopionym metalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich powierzchni granicznej, przy czym różnica ciśnień osiąga wartość pomiędzy dwiema wartościami granicznymi i następnie zmniejsza się w miarę wzrostu ciśnienia, a potem utrzymuje się ciśnienie na stałym poziomie, aż do całkowitego skrzepnięcia.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania metodą traconej pianki i pod ciśnieniem, metalu, a zwłaszcza aluminium oraz jego stopów.

Znane jest fachowcom, na przykład z opisu patentowego St. Zjedn. Ameryki nr 3 157924, zastosowanie do odlewania metali modeli wykonanych z pianki substancji organicznej, takiej jak polistyren, które zanurza się w formie utworzonej z suchego piasku nie zawierającego żadnego środka wiążącego. W przemyśle modele takie są przeważnie powleczone warstewką materiału ogniotrwałego dla polepszenia jakości odlewów.

W takim znanym sposobie stopiony uprzednio metal, przeznaczony do odlewania doprowadza się do zetknięcia z modelem za pośrednictwem otworu zasilającego oraz kanałów przechodzących przez piasek, przy czym metal stopniowo zajmuje miejsce modelu spalając go i przekształcając głównie w opary, które uchodzą pomiędzy ziarnami piasku.

W stosunku do klasycznego odlewania w formie nietrwałej, technika ta nie wymaga uprzedniego wytwarzania, poprzez zagęszczenie i spiekanie sproszkowanych materiałów ogniotrwałych, sztywnych form, połączonych w mniej lub bardziej skomplikowany sposób z rdzeniami oraz umożliwia łatwe odzyskiwanie odlewów, jak też dogodne zawrócenie do obiegu materiałów odlewniczych. Jest więc ona prostsza i bardziej ekonomiczna niż technika klasyczna. Poza tym technika ta daje projektantom odlewów większą swobodę co do ich kształtu. Dlatego więc okazuje się ona coraz bardziej obiecująca z przemysłowego punktu widzenia. Jednakże ma ona też wady spośród których dwie wynikają z klasycznych procesów metalurgicznych to znaczy: stosunkowo powolnego krzepnięcia, sprzyjającego tworzeniu się porów z gazowania, pochodzących od wodoru rozpuszczonego w ciekłym stopie aluminium oraz stosunkowo słabych gradientów termicznych, co sprzyja tworzeniu się mikroporów.

165 322

W celu uniknięcia tych trudności zgłaszający zaproponował we francuskim opisie patentowym opublikowanym pod nr 2 60(5688, rozwiązanie polegające na zaaplikowaniu na formę, po jej napełnieniu i przed przekroczeniem ilości krzepnącej frakcji metalu 40% wagowych, izostatycznego ciśnienia gazu o wielkości maksymalnej zawartej między 0,5 i 1,5 MPa.

Tak więc sposób według wymienionego opisu patentowego obejmuje klasyczne etapy odlewania metodą traconej pianki, to znaczy: wykonanie modelu odlewu utworzonego z pianki substancji organicznej powleczonej warstewką materiału ogniotrwałego; zanurzenie powyższego modelu w formie utworzonej z suchego piasku bez środka wiążącego; napełnienie formy stopionym metalem celem spalenia powyższego modelu, przy czym napełnianie to przeprowadza się za pomocą otworu zasilającego łączącego model z częścią zewnętrzną formy; usunięcie oparów i ciekłych pozostałości wydzielanych przez powyższy model podczas jego spalania oraz umożliwienie skrzepnięcia stopionego metalu celem otrzymania odlewu. Przy czym zgłaszający ulepszył to rozwiązanie w ten sposób, że gdy forma została całkowicie napełniona, to znaczy gdy metal zastąpił całko wicie model i gdy większa część oparów została usunięta, na formę zaaplikowano ciśnienie gazu, przy czym operację tę przeprowadzono umieszczając formę w komorze zdolnej do utrzymywania ciśnienia i połączonej ze źródłem gazu pod ciśnieniem. Operację tę można przeprowadzić bezpośrednio po napełnieniu, gdy metal jest jeszcze całkowicie ciekły, ale może też ona jeszcze mieć miejsce później, aby tylko ilość skrzepniętej frakcji metalu w formie nie przekroczyła 40%, gdyż powyżej tej wartości ciśnienie miałoby skutek niewiele znaczący.

Korzystne jest gdy wartość zastosowanego ciśnienia wynosi maksymalnie pomiędzy 0,5 i

1,5 MPa. Wartość poniżej 0,5 MPa daje skutek niewystarczający, zaś wartość powyżej 1,5 MPa powoduje zwiększone koszty eksploatacyjne.

Stwierdzono więc, że poważnie zwiększyła się zwartość odlewów z wyeliminowaniem lub co najmniej zmniejszeniem por gazowych oraz mikroporów i polepszyły się w ten sposób ich charakterystyki mechaniczne. Jednakże wywołało to pojawienie się nowej wady nazwanej „wżarciem ”.

Istotnie, 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 “. Żeby temu zapobiec należy tę różnicę ciśnień zmniejszyć jak tylko to jest możliwe i zgłaszający doszedł do tego w znanym rozwiązaniu, stosując ciśnienie wzrastające stopniowo w czasie od wartości 0, aż do pożądanej wartości maksymalnej, a następnie utrzymując to ciśnienie aż do całkowitego skrzepnięcia metalu. Istotnie im niższe jest ciśnienie na początku jego stosowania, tym mniejsza jest nierównowaga. Doprowadzono w ten sposób do określenia dostatecznie niskiej szybkości dla uzyskania zmniejszonej różnicy ciśnień. Ale oprócz tego zjawiska „wżarcia “ i trudności wynikających ze wspomnianych powyżej klasycznych procesów metalurgicznych, których rozwiązanie znaleziono, zgłaszający zauważył dwie inne trudności spowodowane procesami całkowicie specyficznymi dla sposobu z traconą pianką a mianowicie: tworzenie się pęcherzy wywołanych zgazowanymi pozostałościami pianki oraz tworzeniu się inkluzji węglowych związanych z tlenkami i wynikających ze stykania się ciekłego stopu aluminium ze zwęglonymi pozostałościami pianki.

Jak to opisano powyżej praktyka przemysłowa odlewania z modelem traconym polega na powleczeniu modeli warstewką materału ogniotrwałego utworzonego przeważnie z cząstek ceramicznych połączonych środkiem wiążącym. Warstewka ta działa następująco: w chwili zalewania formy ciekłym metalem pianka wytworzona najczęściej z polistyrenu zostaje usunięta jednocześnie w postaci gazowej i ciekłej. Warstwa ogniotrwała ma regulować usuwanie postaci gazowej ze względu na swoją przepuszczalność i absorbować postać ciekłą. Ogólnie biorąc przepuszczalność

165 322 powinna być dostosowana do odlewu, tak aby zapewnić utrzymywanie poduszki gazowej między ciekłym metalem a pianką, zaś zdolność absorbowania powinna być maksymalna dla usunięcia ciekłych pozostałości.

Tak więc przy końcu napełniania formy warstwa ogniotrwała jest nasycona pozostałościami, zaś nadmiar w stosunku do nasycenia uchodzi do piasku. A więc w formie znajduje się metal o temperaturze od 600 do 800°C stykający się z tą warstwą nasyconą substancją organiczną skąd może wynikać zgazowanie cieczy, które wytwarza wówczas takie ciśnienie, że gaz przenika do metalu i tam tworzy pęcherze wywołując występowanie inkluzji węglowych pochodzących z niezupełnego spalenia pozostałości pianki.

Dla uniknięcia tej wady należy więc stworzyć wystarczający nadmiar ciśnienia w ciekłym metalu w stosunku do obszaru usytuowanego w piasku poza warstewką, aby spowodować usunięcie gazowych oraz ciekłych pozostałości do piasku i zapobiec w ten sposób ich wejściu w metal. Ale to przeciwstawia się rozwiązaniu dostosowanemu do uniknięcia wżarcia, które polega na możliwie jak największej redukcji szybkości wzrostu ciśnienia w celu możliwie jak największego zmniejszenia tegoż nadmiaru ciśnienia.

Wyżej opisane wady zostały usunięte w sposobie według wynalazku.

Sposób odlewania metodą traconej pianki i pod ciśnieniem metalu, zgodnie z którym wykonuje się model odlewu z pianki substancji organicznej powleczonej warstewką materiału ogniotrwałego. Zanurza się ten model w formie utworzonej z suchego piasku bez środka wiążącego, napełnia się formę stopionym metalem spalając model, usuwa się opary i ciekłe pozostałości wydzielone przez model i pozostawia się stopiony metal do skrzepnięcia,wywierąjąc na formę ciśnienie izostatyczne o wartości maksymalnej zawartej między 0,5 i 1,5 MPa zanim ilość skrzepniętej frakcji metalu przekroczy 40% wagowych, polega według wynalazku na tym, że wartość ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia modelu wytwarza się szybko i przejściowo (przez stratę ciśnienia poprzez piasek) wyższe ciśnienie w stopionym metalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich powierzchni granicznej, przy cz.ym różnica ciśnień osiąga wartość pomiędzy dwiema wartościami granicznymi i następnie zmniejsza się w miarę wzrostu ciśnienia, a potem utrzymuje się ciśnienie na stałym poziomie, aż do całkowitego skrzepnięcia.

Korzystnie szybkość wzrostu ciśnienia wynosi między 0,003 i 0,3 MPa/sek, i jest tym mniejsze im większa jest grubość części.

Korzystnie różnica ciśnień ma wartość pomiędzy 0,001 i 0,030 MPa, a zwłaszcza ma wartość między 0,002 i 0,019 MPa.

Korzystnie maksymalną różnicę ciśnień osiąga się w czasie krótszym niż 2 sekundy.

Zgłaszający stwierdził więc nieoczekiwanie, że rzeczą niezbędną dla uniknięcia „wżarcia ” oraz przenikania pozostałości w metal było ograniczenie różnicy ciśnień i zastosowanie takiej szybkości wzrostu ciśnienia, żeby w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia modelu wytwarzało się szybko i chwilowo wyższe ciśnienie w stopionym metalu w stosunku do ciśnienia piasku, na poziomie ich powierzchni granicznej, przy czym ta różnica ciśnień osiąga wartość zawartą między dwiema wartościami granicznymi i następnie zmniejsza się w miarę wzrostu ciśnienia, a potem ciśnienie utrzymuje się stałe, aż do zupełnego skrzepnięcia.

Szybkość wzrostu ciśnienia powinna oczywiście uwzględniać stratę ciśnienia poprzez formę, to znaczy uziarnienie piasku, a także głębokość zanurzenia modelu w piasku. Dlatego też dobiera się ją w zależności od tych parametrów i w taki sposób aby uzyskać wartości różnicy ciśnień zawartą pomiędzy 0,001 i 0,030MPa, a korzystnie między 0,002 i 0,010MPa.

Różnica ciśnień jest konieczna jedynie w krytycznym okresie, który następuje bezpośrednio po napełnieniu formy, gdy warstewka jest jeszcze nasycona produktami niecałkowicie odparowanymi. Korzystnie ta różnica ciśnień zostaje osiągnięta w czasie krótszym niż 2 sekundy po zastosowaniu ciśnienia, w chwili gdy zjawisko wżarcia jest najbardziej znaczące.

Wynalazek przedstawiono w trzech przykładach wykonania.

W pierwszym przykładzie wykonania sposobu według wynalazku, kolektor wydechowy spalin silnika samochodowego odlewano ze stopu aluminium AS 7GO. 3 zawierającego oprócz aluminium następujące pierwiastki w ilościach podanych w procentach wagowych Fe-0,20%;

165 322 5

SI-6,4-7,5%; Cu-0,10%; Zn-0,10%; Mg-0,25-0,40%; Mn-0,10%; Ni-0,05%; Pb-0,05%; Sn-0,05%; Ti-0,05-0,30%. Grubości ścianek odlewanej części wynosiły 4 mm.

Model z polistyrenu o ogniotrwałej powłoce, mający taki sam kształt jak część odlewana, zanurzono do suchego piasku bez spoiwa, o wielkości ziaren 48 według standardów AFS (American Foundrymen Society) na głębokości 250 mm. Płynny stop wylano na model i, na koniec operacji napełniania, kiedy model był całkowicie spalony, zastosowano ciśnienie gazu wzrastające od 0 do 0,8 MPa w ciągu 1 s., tak więc szybkość wzrostu ciśnienia wynosiła 0,066 MPa/s. Wzrost przyłożonego ciśnienia wywołał nadciśnienie na powierzchni granicznej stopionego metalu i piasku, osiągające swą wartość maksymalną 0,0097 MPa w ciągu 0,9 s. Następnie nadciśnienie zmniejszyło się i zanikło. Całkowity czas krzepnięcia elementu wynosił 60 s.

W drugim przykładzie z takiego samego stopu AS 7GO, 3 jak w przykładzie pierwszym odlewano głowicę cylindra silnika samochodowego, posiadającą grubość ścianek 8 m. Model z polistyrenu zanurzono do takiego samego piasku jak w przykładzie pierwszym, na głębokości 450 mm. Krzepnięcie odlewanej części następowało znacznie wolniej, w czasie całkowitym 240 s. Ponieważ grubość ścian i głębokość zanurzenia były większe, czas niezbędny do osiągnięcia 0,8 MPa wynosił 46 s., a zatem szybkość wzrostu ciśnienia wynosiła 0,017 mPa/s. Maksymalna wartość nadciśnienia na powierzchni granicznej piasek-ciekły metal wynosiła tylko 0,0046 MPa i została osiągnięta w ciągu 0,6 s.

W trzecim przykładzie, taka sama głowica cylindra jak w przykładzie drugim odlewana była przy pomocy piasku o wielkości ziaren 100 w skali AFS. W tym przypadku czas wzrotu ciśnienia wynosił 80 s, zatem szybkość wzrostu ciśnienia wynosiła tylko 0,01 MPa/s. Maksymalna wartość nadciśnienia wynosiła tylko 0,0030 MPa, zaś czas na osiągnięcie tej maskymalnej wartości nadciśnienia został zmniejszony do 0,4 s.

Powyższe przykłady ukazują wpływ grubości ścianek odlewanej części, wielkości ziaren piasku i głębokości zanurzenia modelu w piasek na szybkość wzrostu zastosowanego ciśnienia, oraz na wielkość nadciśnienia na powierzchni granicznej piasek-ciekły metal.

Wyroby odlewane tym sposobem mają bardzo mało pęcherzy i nie mają inkluzji węgla, co świadczy o skuteczności odlewania sposobem według wynalazku. Wyniki uzyskane w opisanych powyżej przykładach zebrano i przedstawiono w poniższej tabeli.

Tabela

Nr	1 2	3
Zastosowanie ciśnienia	od zakończenia napełniania	od zakończenia napełniania	gdy stopień skrzepnięcia osiąga 35%
Rodzaj części	kolektor	głowica silnika	głowica silnika
Uziarnienie piasku w AFS*	48	48	100
Czas trwania krzepnięcia w sek	60	240	240
Grubość odlewu w mm	4	8	8
Czas trwania wzrostu ciśnienia między 0 i 0,8 MPa w sek.	12	46	80
Szybkość wzrostu ciśnienia w MPa/sek	0,066	0,017	0,01
AP maksymalne w PMa	0,0097	0,0046	0,0030
Głębokość zanurzenia modelu w mm	250	450	450
Czas osiągnięcia maksymalnego nadmiaru ciśnienia w sek.	0,9	0,6	0,4

Χ1Ι 'AFS = międzynarodowa przyjęta amerykańska norma uziarmema.

165 322

Departament Wydawnictv UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1(000 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób odlewania metodą traconej pianki i pod ciśnieniem metalu, zgodnie z którym wykonuje się model odlewu z pianki substancji organicznej powleczonej warstewką materiału ogniotrwałego, zanurza się ten model w formie utworzonej z suchego piasku bez środka wiążącego, napełnia się formę stopionym metalem spalając model, usuwa się opary i ciekłe pozostałości wydzielone przez model i pozostawia się stopiony metal do skrzepnięcia wywierając na formę ciśnienie izostatyczne o wartości maksymalnej zawartej między 0,5 MPa i 1,5 MPa zanim ilość skrzepniętej frakcji metalu przekroczy 40% wagowych, znamienny tym, że wartość ciśnienia zwiększa się z taką szybkością, że w zależności od uziarnienia piasku i głębokości zanurzenia modelu wytwarza się szybko i przejściowo (przez stratę ciśnienia poprzez piasek) wyższe ciśnienie w stopionym metalu w stosunku do ciśnienia w piasku, na ich powierzchni granicznej, przy czym różnica ciśnień osiąga wartość pomiędzy dwiema wartościami granicznymi i następnie zmniejsza się w miarę wzrostu ciśnienia, a potem utrzymuje się ciśnienie na stałym poziomie, aż do całkowitego skrzepnięcia.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szybkość wzrostu ciśnienia wynosi między 0,003 MPa/sek i 0,3 MPa/sek i jest tym mniejsza im większa jest grubość odlewu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że różnica ciśnień ma wartość pomiędzy 0,001 MPa i 0,030 MPa.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że różnica ciśnień ma wartość między 0,002 MPa i 0,019 MPa.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że maksymalną różnicę ciśnień osiąga się w czasie krótszym niż 2 sekundy.