Mittatarkkuus, jolla hiekkavalut voidaan nyt tuottaa, on lähentänyt investointivalujen mittatarkkuus. 3D-hiekkatulostustekniikat ovat parantaneet muottien ja hylsyjen mittatarkkuutta huomattavasti, mutta ne eivät ole pystyneet vastaamaan tavanomaisten hiekkavalujen pinnan sileyttä, puhumattakaan investointivaluista.
Investointivalu tarjoaa erittäin sileitä osia erinomaisella ominaisuusresoluutiolla ja mittatarkkuudella. 3-D-painetut hiekkamuotit ja -ytimet voivat tarjota kustannustehokkaan vaihtoehdon investointivalulle, jos prosessi täyttää sekä mitta- että pintavaatimukset.
Vaikka valimon kulutustarvikkeiden alalla on tehty monia muutoksia ja parannuksia, hiekka on ainoa materiaali, joka on pysynyt jonkin verran vakiona. Tarvittaessa louhinnan ja pesun jälkeen valimohiekka luokitellaan yksittäisiin tai kaksisilmäisiin ryhmiin ja varastoidaan. Ne yhdistetään normaaleihin jakeluihin toimitettaviksi valimon asiakkaalle. Vaikka kaivosjakaumia on monia erilaisia, samankaltaisen AFS-raelaadun hiekkaa toimitetaan samanlaisissa jakaumissa. Pintakäsittely on olennainen osa valun laatuvaatimuksia. Valukappaleiden karkeat sisäpinnat voivat heikentää sekä nesteiden että suurnopeuskaasujen tehokkuutta. Näin on turboahtimen ja imusarjan komponenttien kohdalla. Northern Iowan yliopisto on tutkinut muottimateriaalien ominaisuuksia, jotka vaikuttavat valukappaleiden pinnan sileyteen. Tutkimus suoritettiin alumiinivalulla, mutta sillä on sovelluksia ja merkitystä rautaseoksissa, joissa ei ole vikoja, kuten tunkeutumis- tai sulahiekkavirheitä. Tutkimuksessa selvitetään muovausmateriaalin ominaisuuksien, kuten hiekan hienouden, materiaalityypin ja tulenkestävän pinnoitteen valinnan vaikutusta. Hankkeen tavoitteena oli toteuttaa investointivalupintakäsittelyt hiekkavaluosissa.
Läpäisevyys ja pinta-ala Tulokset
AFS-läpäisevyys määritellään ajalla, joka kuluu tunnetun ilmamäärän kulkemiseen standardinäytteen läpi 10 cm:n vesikorkeudessa. Yksinkertaisesti AFS-läpäisevyys edustaa kiviainesrakeiden välisten avoimien tilojen määrää, joka päästää ilman kulkemaan. Materiaalin GFN muuttaa merkittävästi läpäisevyyttä arvoon 80 GFN, jossa trendi näyttää tasaantuvan.
Tiedot osoittavat, että sama pinnan karheus voidaan saavuttaa millä tahansa hiukkasmuodolla eri nopeuksilla. Pallomaiset ja pyöreäraeiset materiaalit parantavat valun sileyttä kiihtyvällä nopeudella verrattuna kulma- ja kulmakiviaineisiin.
Galliumin kontaktikulmatulokset
Kosketuskulmamittaukset suoritettiin sidottujen muovausainesten suhteellisen kostuvuuden mittaamiseksi nestemäisen metallin kanssa käyttämällä nestemäistä galliumtestiä. Keraamisilla hiekoilla oli suurin kosketuskulma, kun taas zirkonilla ja oliviinilla oli samanlainen pienempi kosketuskulma. Gallium osoitti hydrofobista käyttäytymistä kaikilla hiekkapinnoilla. Samanlaista AFS-GFN:ää käytettiin kaikille näytteille. Tulokset osoittavat, että hiekkatyyppien kosketuskulma riippui voimakkaasti kiviaineksen raemuodosta, kuten sekundääriakselilla on esitetty, eikä perusmateriaalista. Keraamisilla hiekoilla oli pyörein muoto ja oliviinihiekoilla erittäin kulmikas muoto. Vaikka pohjakiviaineksen pinnan kostuvuus saattaa vaikuttaa valupinnan viimeistelyyn, kosketuskulmamittausten vaihteluväli testisarjassa oli alisteinen raemuodolle.
Pinnan karheus koevalujen tulokset
Pinnan karheustulokset mitattiin kosketusprofiilimittarilla. Pintatasaisuus parani merkittävästi kolmen seulan 44 GFN piidioksidista neliseulaiseen 67 GFN piidioksidiin. Muutokset, jotka ylittävät 67 GFN:n, eivät osoittaneet vaikutusta pinnan karheuteen leviämisleveyden vaihtelusta huolimatta. Kynnysarvo 185 RMS havaitaan.
GFN-materiaalien 101 ja 106 välillä voidaan havaita suuri sileyden parannus. 106 GFN hiekalla on yli 17 % enemmän 200 meshin materiaalia seulajakaumassa. Kaksiseulaiset 115 ja 118 GFN -materiaalit johtivat sileyden heikkenemiseen. 143 GFN hiekka johti samanlaisiin lukemiin kuin 106 GFN zirkoni. Kynnysarvo on 200 RMS.
Tasainen pinnan sileyden paraneminen havaittiin neliseulaisesta 49 GFN -kromiitista kolmen seulaan 73 GFN -kromiitiksi huolimatta hiukkasjakauman kapenemisesta. 19 %:n lisäys 140 meshin seulan retentiossa havaittiin 73 GFN:n kromiitissa verrattuna 49 GFN:ään. Merkittävä lisäys valun sileydessä havaittiin kolmiseulaisesta 73 GFN:stä neliseulaiseen 77 GFN kromiittihiekkaan riippumatta niiden samanlaisista rakeisuusluvuista. Tasaisuuden muutosta ei havaittu 77 GFN:n ja 99 GFN:n kromiittimateriaalien välillä. Mielenkiintoista on, että kahdella hiekalla oli hyvin samanlainen retentio 200 meshin näytössä. Kynnysarvo on 250 RMS.
Valun sileys on parantunut merkittävästi 78 GFN -oliviinistä 84 GFN -oliviiniin kapeemmasta jakautumisesta huolimatta. 15 %:n retention kasvu 140 meshin seulassa oli nähtävissä 84 GFN-oliviinissä. GFN-oliviinin 84 ja 85 välillä on merkitystä. 85 GFN oliviini paransi sileyttä 50:llä. 85 GFN oliviini on kolmen seulahiekka, jonka lähes 10 % retentio 200 meshin seulassa, kun taas 84 GFN oliviini on yksinkertaisesti kaksiseulamateriaalia. Tasainen tasaisuuden paraneminen voidaan havaita 85 GFN oliviinista 98 GFN oliviiniin. Seulajakauma osoittaa 5 %:n lisäyksen retentioon 200 meshin seulassa. Mitään muutosta 98 GFN:stä 114 GFN-oliviiniin ei havaittu, vaikka 200 meshin retentio kasvoi lähes 7 %.
Kynnysarvo 244 RMS voidaan havaita.
Keraamista ytimistä saatujen valukappaleiden pinnan karheustulokset osoittavat pientä parannusta 32 GFN:n ja 41 GFN:n materiaalien välillä. 70 meshin seulan retentio lisääntyi 34 % 41 GFN:n hiekassa. Merkittävä sileyden lisääntyminen havaittiin 41 GFN:n ja 54 GFN:n keramiikan välillä. 54 GFN -materiaalilla oli yli 19 % suurempi retentio 100 meshin seulassa verrattuna 41 GFN -materiaaliin. Tämä parannus tapahtui huolimatta jakautumisen kaventumisesta 54 GFN -materiaalissa. Suurin vaikutus keraamisissa tuloksissa nähtiin 54 GFN:n ja 68 GFN:n hiekkojen välillä. 68 GFN hiekalla oli 15 % korkeampi retentio 140 meshin seulassa, mikä laajensi jakelua. Huolimatta yli 40 %:n retention kasvusta 140 meshin seulassa, vain vähän parannusta havaittiin 68 GFN:n ja 92 GFN:n materiaalien välillä. Kynnysarvo on 236 RMS.
3-D-tulostettujen hiekkojen tuottamat pinnat ovat huomattavasti karheampia kuin samaa kiviainesta käyttävä puristettu hiekkapinta. XY-suunnassa painetut näytteet tarjosivat tasaisimman koevalupinnan, kun taas XZ- ja YZ-suunnassa painetut näytteet johtivat karkeimpaan.
Piidioksidipäällystämätön 83 GFN piidioksidihiekka johti karheusarvoon 185 RMS. Vaikka valukappaleet näyttivät sileämmiltä, tulenkestävät pinnoitteet lisäsivät pinnan karheutta profilometrillä mitattuna. Alkoholipohjainen alumiinioksidipinnoite osoitti parasta suorituskykyä, kun taas alkoholipohjainen zirkonipinnoite johti korkeimpaan karheuteen. 83 GFN 3-D -tulostettua näytettä osoitti päinvastaista vaikutusta. Vaikka päällystämätön näyte painettiin suotuisimpaan XY-suuntaan, päällystämättömän näytteen valukarheus oli 943 RMS. Pinnoitteet tasoittivat pintaa olennaisesti päällystämättömästä pintakäsittelystä alimmasta 339:stä korkeimpaan 488 RMS:ään. Näyttää siltä, että päällystettyjen hiekkojen pinnan viimeistely on jonkin verran riippumaton alustahiekan karheudesta ja riippuu suuresti tulenkestävän pinnoitteen formulaatiosta. 3-D-tulostettua hiekkaa, vaikka se alkaa paljon karkeammasta pinnasta, voidaan parantaa merkittävästi käyttämällä tulenkestäviä pinnoitteita.
Johtopäätökset
Tällä hetkellä saatavilla olevilla muovausaineilla on kyky saavuttaa alle 200 RMS-mikrotuumaa pinnan karheusarvot. Nämä arvot ovat hieman sijoitusvaluihin liittyvien arvojen sisällä. Testatuilla materiaaleilla kullakin valukarheudessa oli laskua kiviaineksen AFS-raehienouden kasvaessa. Tämä pätee kaikkiin materiaaleihin kynnysarvoon asti, jolloin valun karheuden ei havaittu heikkenevän AFS-GFN:n kasvaessa. Tätä tukivat aiemmin tehdyt tutkimukset.
Kaikissa materiaaliryhmissä AFS-GFN:n vaikutus oli toissijainen sekä lasketun pinta-alan että aggregaatin läpäisevyyden kannalta. Vaikka läpäisevyyden voidaan ajatella kuvaavan tiivistetyn hiekan avoimia alueita, pinta-ala kuvaa paremmin hiekan seulajakaumaa ja vastaavaa määrää hienojakoisia hiukkasia. Sekä läpäisevyys että pinta-ala liittyivät suoraan valupinnan sileyteen. On huomattava, että tämä piti paikkansa muotoryhmän aggregaateissa. Vaikka kulmikkaalla ja alikulmaisella aggregaatilla oli suuri pinta-ala, niiden läpäisevyys oli korkea ja osoitti avoimen pinnan. Pallomaisilla ja pyöristetyillä kiviaineksilla oli tasaisimmat pinnat, joissa alhainen läpäisevyys yhdistyi suureen pinta-alaan.
Alun perin uskottiin, että pinnan kostuvuus nestemäisen metallin ja sidotun kiviaineksen välisellä kosketuskulmalla mitattuna oli kriittinen tekijä tuloksena olevassa valupinnan viimeistelyssä. Vaikka osoitettiin, että eri materiaalien kosketuskulma samanlaisilla AFS-GFN:llä ei ollut verrannollinen valukarheuteen, vahvistettiin, että rakeiden muoto oli tärkeä tekijä. Kosketuskulman ja valupinnan karheuden välisen suhteen puuttuminen voidaan selittää sillä, että raemuodon katsottiin olevan suuri vaikutus pinnan karheuteen. On olemassa merkittävä mahdollisuus, että eri materiaalien kosketuskulmaan vaikutti enemmän rakeiden muoto ja siitä johtuva pinnan sileys kuin pelkkä materiaalin kostuvuus.
Kuten kaikkien mittauslaitteiden kohdalla, testimenetelmän artefaktit voivat vaikuttaa tuloksiin jossain määrin. Valukarheuden lisääntyminen, vaikka valukappaleet näyttivät visuaalisesti tasaisemmilta tulenkestävän pinnoitteen avulla, voi johtua pinnoitteilla syntyneiden piikkien ja laaksojen muodosta. Määritelmän ja mittauksen mukaan tulenkestävät pinnoitteet vain lisäsivät pinnan karheutta pinnoittamattomiin näytteisiin verrattuna. Kaikki tulenkestävät pinnoitteet onnistuivat erittäin hyvin parantamaan 3-D-painettujen hiekkojen pinnan karheutta. Näytti siltä, että päällystetyistä näytteistä saatujen koevalujen pinnan viimeistely oli jossain määrin riippumaton aloitussubstraattihiekasta. Pinnoitteilla oli suuri vaikutus pinnan viimeistelyyn, mutta lisätyötä tarvitaan pinnoitteiden tarkistamiseksi valupintojen parantamiseksi.
Toimittanut Santos Wang, Ningbo Zhiye Mechanical Components Co.,Ltd.
https://www.zhiyecasting.com
santos@zy-casting.com
86-18958238181