Widok Tom 69 Nr 2 (2017)

www.ptcer.pl/mccm

1. Wprowadzenie

Na przestrzeni lat odlewnictwo i formy ceramiczne były ze sobą nierozerwalnie związane i napędzały swój wza-jemny rozwój. Wraz z rozwojem technologii ceramiki oraz technologii odlewniczych zaczęły stopniowo pojawiać się nowe formy, dzięki którym można było otrzymać odlewy o coraz bardziej skomplikowanych kształtach, aż do opra-cowania techniki odlewania precyzyjnego metodą traconego wosku. Metoda ta w ostatnich dekadach należy do najbar-dziej dynamicznie rozwijających się technik formowania. Odlewanie precyzyjne przeżyło gwałtowny rozwój w czasie II wojny światowej z uwagi na zwiększone potrzeby prze-mysłu zbrojeniowego państw zaangażowanych w konfl ikt globalny. Zapotrzebowanie na produkty o skomplikowanych i niesymetrycznych kształtach, małej tolerancji wymiarowej i gładkiej powierzchni determinuje obecny postęp w tech-nologiach odlewniczych.

Ceramiczne formy odlewnicze stosowane są głównie w przemyśle obronnym oraz lotniczym i przeznaczone są do wytwarzania odlewów precyzyjnych. Wykorzystuje się wtedy technikę Bridgmana, służącą do otrzymywania poli- i monokrystalicznych części turbin silników lotniczych z nad-stopów niklu i kobaltu [1–2]. Formy ceramiczne wykonywane są z mas formierskich, których podstawowymi składnikami są proszki ceramiczne, spoiwa i materiały pomocnicze.

Proszki ceramiczne są podstawowym składnikiem for-mierskich mas lejnych i składnikiem osnowy. Od ich wła-ściwości, tj. rodzaju, kształtu i wielkości cząstek, zależą parametry form i odlewów. Jeszcze do niedawna w Polsce najczęściej stosowanym proszkiem na ceramiczne formy odlewnicze była krzemionka. Jednakże jej zastosowanie nie pozwalało na uzyskanie odlewów o wymaganej tolerancji wymiarowej. Z tego względu w ostatnich latach wraz z co-raz większymi wymaganiami stawianymi odlewom coco-raz

Badania procesu studzenia

próbek ceramicznych form odlewniczych

z zastosowaniem kamery termowizyjnej

P

W

*, R

S

, M

K

K

, W

L

S

,

D

M

, J

M

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej ul. Wołoska 141, 02–507 Warszawa *e-mail: p.wisniewski@inmat.pw.edu.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań materiałów formierskich, mas odlewniczych oraz procesu studzenia próbek wielowarstwo-wych form odlewniczych, jakie są stosowane w procesach odlewania precyzyjnego. Przygotowano mieszanki formierskie na pierwszą warstwę przymodelową i na warstwę konstrukcyjną, pokryto nimi prostopadłościenny model woskowy, uzyskując w ten sposób wielo-warstwową próbkę formy odlewniczej. W ten sposób przygotowane próbki wygrzewano w piecu komorowym w temperaturze 700 °C w atmosferze powietrza w celu wytopienia wosku. Proces studzenia próbek badano z wykorzystaniem kamery termowizyjnej w zakre-sie temperatur 500–40 °C. Wykazano, że zastosowanie pomiarów pól temperatur za pomocą kamery termowizyjnej jest interesującym rozwiązaniem do oceny procesu studzenia form odlewniczych. Analiza procesu stygnięcia w czasie może umożliwić wykrywanie defektów form ceramicznych w postaci pęknięć, pustek czy niejednorodnej grubości, które mogą być niewidoczne gołym okiem.

Słowa kluczowe: ceramiczna forma odlewnicza, mieszanka formierska, nanokompozyt, nano-SiO2, odlewanie precyzyjne, termografi a

INVESTIGATIONS OF COOLING PROCESS OF CERAMIC SHELL SAMPLES BY USING A THERMOGRAPHIC CAMERA

This paper presents investigations concerning applicability of a thermographic camera in ceramic shells cooling process. Moreover, ceramic materials and slurries have been investigated. There were slurries prepared for near-model and construction layers of a shell mould. Using the pre-prepared slurries, the ceramic near-model and construction layers were made on a wax pattern. The dewaxing process was run in a furnace at 700 °C. Cooling was investigated with the thermographic camera in the 500–40 °C temperature range. It has been proved that the usage of the thermographic camera for measurements of temperature fi elds was the good solution to evaluate the cooling process of ceramic shell moulds. The results showed defects like cracks, large pores or empty spaces in the ceramic shells, otherwise not visible by the unaided eye.

częściej stosuje się glinokrzemiany, tlenek glinu lub tlenek cyrkonu [3–5].

Spoiwa polimerowe, będące składnikiem zawiesin cera-micznych mają za zadanie związać cząstki proszku i zapew-nić właściwe parametry gęstwom, natomiast gotowej formie zapewniają wysoką wytrzymałość, żaroodporność i łatwość formowania detali. Dobrze dobrane spoiwo ma istotny wpływ na uzyskanie gładkiej powierzchni stykającej się z odlewa-nym metalem. Obecnie do najszerzej stosowanych spoiw należą wodne nanokompozyty polimerowo-ceramiczne na bazie krzemionki koloidalnej [6–8].

Materiałami pomocniczymi, dodawanymi do mieszanek formierskich, są środki organiczne mające na celu nada-nie masom lejnym optymalnych właściwości reologicznych (tiksotropowych).

Parametry mas lejnych zależą od wielu czynników, tj. rodzaju, kształtu, wielkości cząstek zastosowanego prosz-ku i jego ilości, rodzaju i ilości spoiw polimerowych oraz środków upłynniających, udziału dodatków organicznych, temperatury, pH, a także warunków mieszania, tj. rodzaju urządzenia, czasu, prędkości itd. [9–10].

Ceramiczna forma odlewnicza w zależności od aplikacji składa się z kilku, a nawet kilkunastu warstw ceramicznych, przy czym jedną warstwą określa się wyschniętą mieszan-kę formierską wraz z gruboziarnistą posypką proszkową. Warstwa przymodelowa po wytopieniu wosku znajduje się w bezpośrednim kontakcie z ciekłym metalem. Z tego względu musi się ona charakteryzować obojętnością che-miczną wobec odlewanego stopu. Kolejne warstwy formy (tzw. konstrukcyjne) zapewniają odpowiednią szczelność i wytrzymałość mechaniczną.

O ile technika odlewania precyzyjnego jest znana, to jednak ze względu na złożoność procesową nie zawsze jest w stanie zapewnić uzyskanie odlewów o pożądanej jakości. Na chwilę obecną nie została opracowana metodyka monito-rowania procesów suszenia i stygnięcia form odlewniczych.

Jednym z nowych rozwiązań jest zastosowanie tech-niki termowizyjnej do analizy operacyjnej zachowania się form, rozkładu temperatur, a także detekcji wad krytycznych warstw ceramicznych. Zagadnienie to jest relatywnie nowe i jak dotąd nie było stosowane w odlewnictwie precyzyjnym. Zespół autorów prowadzi intensywne badania ukierunkowa-ne na analizę i kontrolę procesów termicznych, które wystę-pują w formach odlewniczych, mające na celu usprawnienia procesu odlewania części silników lotniczych i uzyskanie odlewów o powtarzalnej jakości i tolerancji wymiarowej [11]. Prezentowana praca leży w nurcie wspomnianych działań i jej podstawowym celem było zbadanie za pomocą kamery termowizyjnej procesu stygnięcia materiału wielowarstwo-wej, korundowej formy odlewniczej z temperatury usuwania woskowego modelu i powiązania uzyskanych wyników ze stanem jej mikrostruktury. Scharakteryzowano użyte proszki formiercze, masy odlewnicze i mikrostrukturę otrzymanej wielowarstwowej formy

2. Materiały i metodyka badawcza

Do otrzymania ceramicznych mas lejnych zastosowano formierski tlenek glinu o wielkości cząstek 200 i 325 mesh, tj odpowiednio 74 μm i 44 μm (Remet, UK). Spoiwem

poli-merowym i jednocześnie rozcieńczalnikiem był wodny na-nokompozyt polimerowo-ceramiczny LUDOX AM (Remet, UK), zawierający ~33% nanometrycznego SiO2 o średniej

wielkości cząstek 16 nm.

Wielkość cząstek proszków określono w laserowym analizatorze uziarnienia Horiba LA-950 z wykorzystaniem techniki niskokątowego rozpraszania światła laserowego LALLS (ang. Low Angle Laser Light Scattering). Pomiary przeprowadzono przy ustawieniu współczynnika załamania światła charakterystycznego dla Al2O3. Obserwacje

morfolo-gii proszków przeprowadzono w mikroskopie skaningowym TEM 1000 (Hitachi Japan). Analizę składu chemicznego proszków Al2O3 200 i 325 przeprowadzono, stosując metodę

XRF. Badania wykonano przy użyciu dyfraktometru Bruker S4 Explorer, wyposażonego w źródło promieniowania rent-genowskiego w postaci lampy rodowej.

W celu otrzymania próbek ceramicznych form wielowar-stwowych przygotowano dwie mieszanki formierskie. Masa lejna na pierwszą warstwę (przymodelową) zawierała 72,5% wag. proszku Al2O3 200 i dodatek proszku glinianu kobaltu.

Z kolei masa lejna na warstwy konstrukcyjne zawierała pro-szek Al2O3 325 w mniejszym udziale, wynoszącym 70%

wa-gowych. Zawiesiny mieszano w mieszadle mechanicznym CAT R50D (Niemcy) z szybkością 150 RPM przez ponad 24 h w laboratorium o kontrolowanej temperaturze wyno-szącej 20 °C. Masy lejne mieszano przez okres niezbędny do ustabilizowania się ich lepkości względnej. Aby to ocenić, każdego dnia sprawdzano ich parametry technologiczne: gęstość, pH, adhezję - tzw. „test płyty”, czas wypływu z kub-ka Zahna oraz naprężenie ścinające i lepkość dynamiczną. Wyniki dotyczące właściwości mas lejnych zamieszczono w pracy [11]. Odczyn spoiw i mas formierskich badany był przy użyciu pH-metru Sension 1 (Hach), wyposażonego w elektrodę do zawiesin. Gęstość oznaczano za pomocą aerometru o zakresie pomiarowym do 2,5 g/cm3_{. Do oceny}

adhezji badanych mas lejnych używano płyty mosiężnej o wymiarach 75 mm × 75 mm i wadze 75,46 g. Test odby-wał się w oparciu procedury opracowanej na podstawie własnych badań doświadczalnych [12–13]. Odnotowywano obciekanie gęstwy z płyty przez 180 s, a wyniki cząstkowe notowano co 15 s. Do badania lepkości względnej stosowa-no zanurzeniowy kubek czerpalny Zahna o średnicy dyszy wynoszącej 4 mm. Lepkość dynamiczną mas lejnych okre-ślano za pomocą reometru Anton Paar MC102.

Modele do wytworzenia próbek odlewniczych form ce-ramicznych wykonano z wosku odlewniczego (Rys. 1a). Przed procesem nakładania warstw modele odtłuszczono w odczynniku Trisol, a następnie wysuszono. Tak przygoto-wane podłoża zanurzano w masie formierskiej, a następnie obsypywano posypką proszku Remasil (Remet, UK) i su-szono w pomieszczeniu klimatyzowanym o kontrolowanej temperaturze (20 °C) i wilgotności (37%).

Wysuszone próbki form odlewniczych (Rys. 1b) wygrze-wano w piecu komorowym w temperaturze 700 °C w atmos-ferze powietrza w celu wytopienia wosku. Następnie próbki wyjmowano z pieca, unieruchamiano i studzono bez wymu-szonego przepływu powietrza, monitorując proces studze-nia kamerą termowizyjną w zakresie temperatur 500–40 °C.

Mikrostrukturę próbki ceramicznej formy odlewniczej analizowano za pomocą mikrotomografu SkySkan 1742

cząstki w porównaniu z tlenkiem glinu (Rys. 2b i 2c) oraz proszkiem posypki Remasil (Rys. 2d).

Wyniki badań rozkładu wielkości cząstek proszków Al2O3

200 oraz Al2O3 325 przedstawiono na Rys. 3 i 4. Rozkłady

wielkości cząstek mają przebieg jednomodalny. Stwier-dzono, że średnia wielkość cząstek dla proszku Al2O3 200

wynosi 100,78 μm. Najmniej cząstek miało wielkość 34 μm i 180 μm (ok. 1%), a najwięcej (ok. 19%) o wielkości 93,7 μm. Z kolei proszek Al2O3 325 posiada mniejszą wielkość

czą-stek. Stwierdzono, że średnia wielkość cząstek dla proszku 325 wynosi 55,30 μm. W badanej próbce najmniej było cząstek o wielkości 43 μm i 66 μm (ok. 0,2%), a najwięcej (ok. 9%) o wielkości 51,6 μm.

Analiza składu chemicznego proszku Al2O3 325 (Tabela

1) wykazała, że proszek ten zawiera głównie tlenek glinu (99,49%) oraz zanieczyszczenia w postaci tlenków fosforu, wapnia, żelaza i galu. Wyniki badań proszku tlenku glinu (Al2O3 200) przedstawiono w Tabeli 2. Badanie wykazało

zawartość 99,34% tlenku glinu. Wykryto również niewielką ilość tlenków fosforu, wapnia, żelaza i galu.

Z proszków oraz spoiwa nanokompozytowego przygo-towano lejne masy formierskie o składach i parametrach opisanych w publikacji [11]. Obie masy lejne posiadały ana-logiczne właściwości, które kontrolowano na podstawie me-todyki przedstawionej w artykułach [11–13].

3.2. Charakterystyka tomografi czna

mikrostruktury otrzymanych form

Wyniki tomografi i rentgenowskiej próbki formy odlew-niczej po procesie wytapiania wosku w temperaturze 700 °C, pokazujące poszczególne warstwy na przekrojach poprzecznych, przedstawiono na Rys. 5. Warstwa przymo-delowa (Rys. 5a) charakteryzuje się drobną i stosunkowo jednorodną budową. Zastosowanie posypki do każdej war-stwy prowadziło do zahamowania obciekania masy for-mierskiej z modelu woskowego, ale - jak pokazują obrazy tomografi czne przekrojów - zwiększa porowatość warstwy. W przypadku warstwy konstrukcyjnej obserwowano po-dobny efekt.

3.3. Badania nieciągłości mikrostruktury form

ceramicznych za pomocą kamery termowizyjnej

Na Rys. 6 przedstawiono termogramy w przypadku próbki, dla której przeprowadzono pomiary temperatur po różnym czasie studzenia mierzonym od wyjęcia z pieca z temperatury 700 °C. Analiza obrazów wskazuje na bar-dzo zbliżony charakter pól temperatura niezależnie od fazy chłodzenia. Porównując jednak gradienty temperatur dla różnych faz studzenia (Rys. 7) można zauważyć, że pro-ces stygnięcia próbek jest zależny od czasu. Stwierdzono obszary o wyraźnie mniejszym lub większym gradiencie temperatury w stosunku do otoczenia. W części pokrywały się one z zaobserwowanymi po schłodzeniu pęknięciami wychodzącymi na powierzchnię. Jednocześnie zauważono przepływ ciepła z jednej krawędzi próbki do drugiej, w wy-niku którego zaobserwowano ujemny gradient temperatury (Rys. 8). Mogło mieć to związek z przepływem powietrza w wokół próbki podczas stygnięcia.

o średniej rozdzielczości 2000 × 1000 px, obrocie w za-kresie 0–180°, rejestracji wyników co 0,4°. Do rejestracji użyto fi ltru Al-Cu. Na podstawie danych skanowania wyniki poddano rekonstrukcji, uzyskując przekroje poprzeczne oraz model 3D.

Badania zmian temperatury powierzchni próbek cera-micznych form odlewniczych prowadzono za pomocą ka-mery termografi cznej VIGOcam v50. Kamera wyposażona jest w detektor o rozdzielczości 384×288 pikseli, a błąd bezwzględny wynosi 2% zakresu pomiarowego. Emisyjność ceramiki ustalono na podstawie kart pomiarowych dostar-czonych razem z urządzeniem. Obrazy termografi czne pod-czas stygnięcia próbek, umieszczonych nieruchomo w polu widzenia kamery, rejestrowane były co 5 s. Takie warunki badania podyktowane zostały chęcią dostosowania się do naturalnych warunków, występujących podczas procesu wytwarzania form w warunkach przemysłowych.

3. Wyniki badań i dyskusja

3.1. Charakterystyka proszków formierskich

Na Rys. 2 przedstawiono obrazy mikrostruktury proszków ceramicznych stosowanych w skali przemysłowej do wytwo-rzenia odlewniczych form ceramicznych. Badane proszki charakteryzowały się różną wielkością oraz kształtem. Gli-nian kobaltu (Rys. 2a) posiadał najbardziej rozdrobnione

a) b)

Rys. 1. Model woskowy: a) przed procesem wytwarzania warstw ceramicznych, b) z przymodelową warstwą ceramiczną.

Fig. 1. A wax model: a) before preparation of a ceramic layer, b) with the ceramic layer (fi rst layer).

a) b)

c) d)

Rys. 2. Mikrostruktura proszków użytych do wytworzenia form: a) glinian kobaltu, b) Al2O3 325 mesh, c) Al2O3 200 mesh, d) posypka

Remasil.

Fig. 2. Microstructure of powders used for preparation of shells: a) cobalt aluminate, b) Al2O3 325 mesh, c) Al2O3 200 mesh, d) Remasil.

Rys. 3. Rozkład wielkości cząstek proszku Al2O3 200.

Fig. 3. Particle size distribution of the Al2O3 200 powder.

Rys. 4. Rozkład wielkości cząstek proszku Al2O3 325.

Tabela 1. Wyniki badania składu chemicznego próbki proszku Al2O3 325.

Table 1. The results of determination of chemical composition of the Al2O3 325 powder.

Związek chemiczny Stężenie

[% mas.] Błąd pomiaru [%] Al2O3 99,490 0,54 P2O5 0,297 3,06 CaO 0,165 3,96 Fe2O3 0,043 3,60 Ga2O3 0,010 6,29

Tabela 2. Wyniki badania składu chemicznego próbki proszku Al2O3 200.

Table 2. The results of determination of chemical composition of the Al2O3 200 powder.

Związek chemiczny Stężenie

[% mas.] Błąd pomiaru [%] Al2O3 99,340 0,55 P2O5 0,315 3,04 CaO 0,175 3,86 Fe2O3 0,0347 4,19 Ga2O3 0,0118 5,27

Rys. 5. Wyniki tomografi i rentgenowskiej próbki formy ceramicznej: a), c) i d) przykładowe przekroje poprzeczne z widocznymi warstwami przymodelową (1), konstrukcyjną (2) i posypki (3), b) model 3D próbki.

Fig. 5. The results of X-ray tomography of the ceramic shell sample: a), c) i d) examples of cross sections, showing the near-model layer (1), construction one (2) and powder coating (3), b) 3D model of the sample.

a) b)

c) d)

Rys. 6. Termogramy wybranej próbki w 10. (a), 25. (b), 95. (c) i 140. (d) sekundzie od wyjęcia z pieca. Maksymalne zmierzone temper-atury powierzchni wynosiły odpowiednio 426, 405, 321 i 281 °C.

Fig. 6. Thermograms of the selected sample at 10th (a), 25th (b), 95th (c) and 140th second of cooling. Maximum measured temperatures were 426, 405, 321 and 281 °C, respectively.

400 350 300 250 200 150 100 a) b)

Rys. 7. Gradienty temperatur pomiędzy 10. i 25. sekundą (a) oraz 95. i 140. sekundą (b) studzenia.

Fig. 7. Temperature gradients between 10th and 25th second of cooling, and between 95th and 140th second of cooling.

400 350 300 250 200 150 100 50 40 35 30 25 20 15 10 5 0 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 300 250 200 150 100 50 250 200 150 100 50

4. Podsumowanie

Niniejsza praca ma charakter rozpoznawczy, stanowiąc przedstawienie badań wstępnych. Zastosowane parametry technologiczne, tj. gęstość, lepkość, pH mieszanki formier-skiej na pierwszą warstwę przymodelową, jak również war-stwę konstrukcyjną umożliwiały pokrycie całych powierzchni użytych modeli woskowych.

Uzyskane wyniki wskazują, że zastosowanie kamery termowizyjnej do wykrywania defektów w postaci makro i mikropęknięć w odlewniczych formach ceramicznych jest uzasadnione i umożliwia wykrycie i wyeliminowanie wadli-wych form ceramicznych już w początkowadli-wych etapach ich wytwarzania. Metodą może być zainteresowany przemysł odlewniczy oraz lotniczy i może on otworzyć nowy rozdział we współczesnym odlewnictwie precyzyjnym.

Podziękowania

Badania zrealizowano w ramach Projektu: „Zastosowanie

przestrzennej, optycznej digitalizacji, termowizji i tomografi i do oceny technologicznej jakości woskowych zestawów modelowych i wielowarstwowych ceramicznych form w pro-cesie precyzyjnego odlewania krytycznych części silników lotniczych”, Nr PBS3/A5/54/2016 fi nansowanego przez

Na-rodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Literatura

[1] Haratym, R., Biernacki, R., Myszka, D.: Ekologiczne

wyt-warzanie dokładnych odlewów w formach ceramicznych,

Ofi cyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.

[2] Jones, S., Juan, C.: Advances in shell moulding for invest-ment casting, J. Mater. Process., 135, (2003), 258–265. [3] Haratym, R.: Procesy odlewania precyzyjnego w formy

odlewnicze, Ofi cyna Wydawnicza Politechniki

Warszaw-skiej, Warszawa 1997.

[4] Lewandowski, J. L.: Tworzywa na formy odlewnicze, Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997.

[5] Ferenc, J., Matysiak, H., Kurzydłowski, K. J:. Organic vis-cosity modifi ers for controlling rheology of ceramic slurries used in the investment casting, Proceedings of the 12th In-ternational Conference on Modern Materials and Technolo-gies (CIMTEC 2010), Adv. Sci. Tech., 70, (2010), 102–107. [6] Matysiak, H., Ferenc, J., Michalski, J., Lipiński, Z.,

Jakubo-wicz, G., Kurzydłowski, K. J.: Porowatość i wytrzymałość form ceramicznych wykorzystywanych w procesie odle-wania precyzyjnego metodą Bridgmana, Inż. Mater., 1, (2011), 17–21.

[7] Frueh, C., Poirier, D. R., Maguire, M. C.: The Effect of Silica-Containing Binders on the Titanium/Face Coat Reaction,

Metall. Mater. Trans. B, 28B, (1997), 919–926.

[8] Olhero, S. M., Ferreira, J. M. F.: Infl uence of Particle Size Distribution on Rheology and Particle Packing of Silica-based Suspensions, Powder Techn., 139, (2004), 69–75. [9] Kong, D., Yang, H., Yang, Y., Weia, S., Wang, J.:

De-sta-bilization mechanism and in situ solidifi cation of alumina

a)

b)

Rys. 8. Gradienty temperatur 3D pomiędzy 10. i 25. sekundą (a) oraz 95. i 140. sekundą (b) studzenia.

slurry dispersed in silica sol, J. Mater. Process. Techn., 182, (2007), 489–497.

[10] Matysiak, H., Wiśniewski, P., Ferenc-Dominik, J., Michalski, J., Kurzydłowski, K. J.: Badania właściwości reologicznych ceramicznych mas lejnych do odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych, Szkło i Ceramika, 62, 1, (2011), 10–15.

[11] Koralnik, M. K., Wiśniewski, P., Sitek, R., Moszczyńska, D., Mizera, J.: Ocena czasu suszenia pierwszej i drugiej warstwy ceramicznej formy odlewniczej z wykorzystaniem kamery termowizyjnej, Szkło i Ceramika, 68, 1, (2017), 6–10. [12] Małek, M., Wiśniewski, P., Matysiak, H., Zagórska, M.,

Kurzydłowski, K. J.: Technological properties of SiC-based ceramic slurries for manufacturing investment casting shell moulds, Arch. Metall. Mater., 59, 3, (2014), 1059–1062. [13] Małek, M., Wiśniewski, P., Szymańska, J., Mizera, J.,

Kurzydłowski, K. J.: Technological Properties of Ceramic Slurries Based on Silicon Carbide with Poly(vinyl alcohol) Addition for Shell Moluds Fabrication in Precision Casting Process, Acta Phys. Pol. A, 129, (2016), 528–530.

