De maatnauwkeurigheid waarmee zandgietstukken nu kunnen worden geproduceerd, benadert die van investeringsgietwerk. 3D-zandprinttechnologieën hebben de maatnauwkeurigheid van mallen en kernen aanzienlijk verbeterd, maar zijn er niet in geslaagd de oppervlaktegladheid van conventionele zandgietstukken te evenaren, laat staan van investeringsgietstukken.
Investeringsgieten zorgt voor zeer gladde onderdelen met een uitstekende functieresolutie en maatnauwkeurigheid. 3D-geprinte zandvormen en kernen kunnen een kosteneffectief alternatief zijn voor investeringsgieten als het proces kan voldoen aan zowel dimensionale als oppervlaktevereisten.
Hoewel er veel veranderingen en verbeteringen zijn aangebracht op het gebied van gieterijtoevoegmaterialen, is zand het enige materiaal dat enigszins constant is gebleven. Na mijnbouw en wassen, indien nodig, wordt gieterijzand geclassificeerd in afzonderlijke of tweemazige groepen en opgeslagen. Ze worden gecombineerd tot normale distributies voor verzending naar de gieterijklant. Hoewel er veel verschillende mijndistributies zijn, wordt zand met een vergelijkbaar AFS-korrelfijnheidsgetal in vergelijkbare distributies geleverd. Oppervlakteafwerking is een integraal onderdeel van de specificaties van de gietkwaliteit. Ruwe interne oppervlakteafwerkingen op gietstukken kunnen het verlies aan efficiëntie veroorzaken voor zowel vloeistoffen als gassen met hoge snelheid. Dat is het geval voor onderdelen van de turbocompressor en het inlaatspruitstuk. De University of Northern Iowa heeft onderzoek gedaan naar de eigenschappen van matrijsmaterialen die van invloed zijn op de gladheid van het oppervlak van gietstukken. Het onderzoek is uitgevoerd op aluminium gietstukken, maar heeft toepassingen en relevantie in ijzerlegeringen die geen defecten vertonen zoals penetratie of gesmolten zanddefecten. De studie onderzoekt de invloed van eigenschappen van vormmedia, zoals zandfijnheid, materiaalsoort en selectie van vuurvaste coatings. Het doel van het project was om oppervlakteafwerkingen van investeringsgieten te realiseren in zandgegoten onderdelen.
Permeabiliteit en oppervlakteresultaten
AFS-permeabiliteit wordt gedefinieerd als de hoeveelheid tijd die een bekend luchtvolume nodig heeft om door een standaardmonster te gaan bij een opvoerhoogte van 10 cm water. Simpel gezegd, de AFS-permeabiliteit vertegenwoordigt de hoeveelheid open ruimtes tussen de aggregaatkorrels waardoor lucht kan passeren. De GFN van een materiaal verandert de doorlaatbaarheid aanzienlijk tot 80 GFN, waar de trend lijkt af te vlakken.
De gegevens laten zien dat dezelfde oppervlakteruwheid kan worden bereikt met elke deeltjesvorm met verschillende snelheden. De sferische en rondkorrelige materialen verbeteren de gladheid van het gieten in een versneld tempo in vergelijking met hoekige en subhoekige aggregaten.
Gallium-contacthoekresultaten
Er werden contacthoekmetingen uitgevoerd om de relatieve bevochtigbaarheid van de gebonden vormaggregaten met vloeibaar metaal te meten met behulp van een vloeibare galliumtest. Keramisch zand had de hoogste contacthoek, terwijl zirkoon en olivijn een vergelijkbare lagere contacthoek deelden. Het gallium vertoonde hydrofoob gedrag op alle zandoppervlakken. Voor alle monsters werd een vergelijkbare AFS-GFN gebruikt. De resultaten geven aan dat de contacthoek voor de zandsoorten sterk afhing van de korrelvorm van het aggregaat zoals weergegeven op de secundaire as, in plaats van het basismateriaal. Het keramische zand had de meest ronde vorm en het olivijnzand vertoonde een zeer hoekige vorm. Hoewel de oppervlaktebevochtigbaarheid van het basisaggregaat een rol kan spelen bij de afwerking van het gietoppervlak, was het bereik van contacthoekmetingen in de testreeks ondergeschikt aan de korrelvorm.
Oppervlakteruwheid resultaten van testgietstukken
De resultaten van de oppervlakteruwheid werden gemeten met behulp van een contactprofielmeter. Er was een significante verbetering in de gladheid van het oppervlak van de 44 GFN-silica met drie schermen naar de 67 GFN-silica met vier schermen. Veranderingen na 67 GFN hadden geen invloed op de oppervlakteruwheid ondanks variatie in distributiebreedte. De drempelwaarde van 185 RMS wordt aangehouden.
Een grote verbetering in gladheid kan worden waargenomen tussen de 101 en 106 GFN-materialen. Het 106 GFN-zand heeft meer dan 17% meer 200 mesh-materiaal in de zeefverdeling. De 115 en 118 GFN-materialen met twee schermen resulteerden in een afname van de gladheid. Het 143 GFN-zand resulteerde in vergelijkbare waarden als het 106 GFN-zirkoon. De drempelwaarde is 200 RMS.
Er werd een gestage verbetering van de gladheid van het oppervlak waargenomen van het 49 GFN-chromiet met vier schermen tot het 73 GFN-chromiet met drie schermen, ondanks dat de deeltjesverdeling smaller werd. Een toename van 19% in retentie van het 140-mesh scherm werd gezien in de 73 GFN chromiet in vergelijking met de 49 GFN. Er werd een significante toename van de gladheid van het gieten aangetoond van de 73 GFN met drie schermen tot de 77 GFN chromietzanden met vier schermen, ongeacht hun vergelijkbare korrelfijnheid. Er werd geen verandering in gladheid waargenomen tussen de 77 GFN en 99 GFN chromietmaterialen. Interessant is dat de twee zandsoorten een zeer vergelijkbare retentie deelden in het 200-mesh scherm. De drempelwaarde is 250 RMS.
Er is een significante verbetering in de soepelheid van het gieten van de 78 GFN olivijn naar de 84 GFN olivijn ondanks de smallere verdeling. Een toename van 15% retentie in de 140-mesh zeef was zichtbaar in de 84 GFN olivijn. Er is significantie tussen de 84 en 85 GFN olivijn. De 85 GFN olivijn verbeterde de gladheid met 50. De 85 GFN olivijn is een zand met drie schermen met bijna 10% retentie in de 200-mesh zeef, terwijl de 84 GFN olivijn gewoon een materiaal met twee schermen is. Een gestage verbetering in gladheid kan worden waargenomen van de 85 GFN olivijn tot de 98 GFN olivijn. De schermverdeling laat een toename zien van 5% retentie in het 200-mesh scherm. Er werd geen verandering gezien van de 98 GFN naar de 114 GFN olivijn ondanks een toename in 200 mesh retentie van bijna 7%.
Er kan een drempelwaarde van 244 RMS worden waargenomen.
De oppervlakteruwheidsresultaten voor de gietstukken verkregen uit keramische kernen laten een lichte verbetering zien tussen de 32 GFN- en 41 GFN-materialen. Er was een toename van de retentie van het 70-mesh scherm met 34% in het 41 GFN-zand. Er werd een significante toename in gladheid waargenomen tussen de 41 GFN- en 54 GFN-keramiek. Het 54 GFN-materiaal had meer dan 19% meer retentie in het 100-mesh scherm in vergelijking met het 41 GFN-materiaal. Deze verbetering trad op ondanks de vernauwing van de distributie in het 54 GFN-materiaal. De grootste impact in de keramische resultaten werd gezien tussen de 54 GFN en 68 GFN zanden. Het 68 GFN-zand had een 15% hogere retentie in de 140-mesh zeef, wat de verspreiding verbreedde. Ondanks een toename van meer dan 40% retentie in het 140-mesh scherm, werd weinig verbetering waargenomen tussen de 68 GFN- en 92 GFN-materialen. De drempelwaarde is 236 RMS.
De oppervlakken die worden gegenereerd door het 3D-geprinte zand zijn aanzienlijk ruwer dan een geramd zandoppervlak met hetzelfde aggregaat. De monsters die in de XY-oriëntatie waren afgedrukt, leverden het gladste testgietoppervlak op, terwijl de monsters die in de XZ- en YZ-oriëntatie waren afgedrukt, het ruwste resultaat opleverden.
Het gestampte ongecoate 83 GFN silicazand met silica resulteerde in een ruwheidswaarde van 185 RMS. Hoewel de gietstukken gladder leken, verhoogden de vuurvaste coatings de oppervlakteruwheid zoals gemeten door de profilometer. De op alcohol gebaseerde aluminiumoxidecoating vertoonde de beste prestaties, terwijl de op alcohol gebaseerde zirkooncoating resulteerde in de hoogste ruwheid. De 83 GFN 3D-geprinte monsters vertoonden het tegenovergestelde effect. Terwijl het ongecoate monster in de meest gunstige oriëntatie van XY werd afgedrukt, vertoonde het ongecoate monster een gietruwheid van 943 RMS. De coatings maakten het oppervlak aanzienlijk glad van de ongecoate oppervlakteafwerking van een minimum van 339 tot een maximum van 488 RMS. Het lijkt erop dat de oppervlakteafwerking van het gecoate zand enigszins onafhankelijk is van de ruwheid van het substraatzand en sterk afhankelijk is van de formulering van de vuurvaste coating. Hoewel 3D-geprint zand begint met een veel ruwere oppervlakteafwerking, kan het aanzienlijk worden verbeterd door het gebruik van vuurvaste coatings.
Conclusies
Momenteel verkrijgbare vormaggregaten hebben het vermogen om oppervlakteruwheidswaarden van minder dan 200 RMS micro-inches te bereiken. Deze waarden liggen iets binnen de waarden die geassocieerd worden met investeringsgietwerk. Voor de geteste materialen vertoonde elk een afname in gietruwheid met toenemende aggregaat AFS-korrelfijnheid. Dit gold voor alle materialen tot een drempelwaarde, op welk moment er geen verdere afname van de gietruwheid werd gezien met toenemende AFS-GFN. Dit werd ondersteund door eerder uitgevoerd onderzoek.
Binnen alle materiaalgroepen was het effect van AFS-GFN ondergeschikt aan zowel het berekende oppervlak als de doorlatendheid van het aggregaat. Hoewel men kan denken dat permeabiliteit de open gebieden van het verdichte zand beschrijft, beschrijft het oppervlak beter de schermverdeling van het zand en de overeenkomstige hoeveelheid fijne deeltjes. Zowel de permeabiliteit als het oppervlak waren direct gerelateerd aan de gladheid van het gietoppervlak. Opgemerkt moet worden dat dit gold voor aggregaten binnen een vormgroep. Hoewel hoekige en sub-hoekige aggregaten grote oppervlakten hadden, was hun permeabiliteit hoog en duidde op een open oppervlak. Sferische en afgeronde aggregaten vertoonden de gladste oppervlakken die een lage permeabiliteit combineren met een groot oppervlak.
Oorspronkelijk werd aangenomen dat de bevochtigbaarheid van het oppervlak, zoals gemeten door de contacthoek tussen vloeibaar metaal en het gebonden aggregaat, een kritische factor was in de resulterende afwerking van het gietoppervlak. Hoewel werd aangetoond dat de contacthoek op verschillende materialen bij vergelijkbare AFS-GFN niet evenredig was met de ruwheid van het gietstuk, werd bevestigd dat de korrelvorm een belangrijke factor was. De afwezigheid van een relatie tussen de contacthoek en de ruwheid van het gietoppervlak kan worden verklaard door het feit dat de korrelvorm werd gezien als een belangrijke invloed op de oppervlakteruwheid. Er is een aanzienlijke mogelijkheid dat de contacthoek van verschillende materialen meer werd beïnvloed door de korrelvorm en de resulterende gladheid van het oppervlak dan door de bevochtigbaarheid van het materiaal alleen.
Zoals bij alle meetinstrumenten kunnen artefacten van de testmethode de resultaten tot op zekere hoogte beïnvloeden. De toename in gietruwheid, hoewel de gietstukken er visueel gladder uitzagen door het aanbrengen van een vuurvaste coating, kan te wijten zijn aan de vorm van de pieken en dalen die met de coatings zijn gecreëerd. Per definitie en meting verhoogden de vuurvaste coatings alleen de oppervlakteruwheid ten opzichte van niet-gecoate monsters. Alle vuurvaste coatings waren zeer succesvol in het verbeteren van de oppervlakteruwheid van het 3D-geprinte zand. Het bleek dat de oppervlakteafwerking van de testgietstukken van gecoate monsters enigszins onafhankelijk was van het uitgangssubstraatzand. De coatings hadden een grote invloed op de oppervlakteafwerking, maar er is nog meer werk nodig om de coatings te herzien om de gietafwerkingen te verbeteren.
Bewerkt door Santos Wang van Ningbo Zhiye Mechanical Components Co., Ltd.
https://www.zhiyecasting.com
santos@zy-casting.com
86-18958238181