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Caratteristiche critiche che influenzano la finitura superficiale dei getti
2022-10-13
La precisione dimensionale con cui ora è possibile produrre fusioni in sabbia si è avvicinata a quella delle fusioni a cera persa. Le tecnologie di stampa in sabbia 3D hanno notevolmente migliorato la precisione dimensionale di stampi e anime, ma non sono riuscite a eguagliare la levigatezza della superficie delle fusioni in sabbia convenzionali, per non parlare delle microfusioni a cera persa.
La fusione a cera persa fornisce parti molto lisce con un'eccellente risoluzione delle caratteristiche e precisione dimensionale. Gli stampi e le anime in sabbia stampati in 3D possono fornire un'alternativa economica alla microfusione se il processo è in grado di soddisfare i requisiti sia dimensionali che superficiali.
Sebbene siano stati apportati molti cambiamenti e miglioramenti nell'area dei materiali di consumo per fonderia, la sabbia è l'unico materiale che è rimasto in qualche modo costante. Dopo l'estrazione e il lavaggio, se necessario, le sabbie di fonderia vengono classificate in gruppi singoli oa due maglie e stoccate. Sono combinati in normali distribuzioni per la spedizione al cliente della fonderia. Sebbene esistano molte diverse distribuzioni minerarie, la sabbia con un numero di finezza della grana AFS simile viene fornita in distribuzioni simili. La finitura superficiale è parte integrante delle specifiche di qualità della fusione. Finiture superficiali interne ruvide sui getti possono causare la perdita di efficienza sia per i fluidi che per i gas ad alta velocità. Questo è il caso dei componenti del turbocompressore e del collettore di aspirazione. La University of Northern Iowa ha studiato le caratteristiche del materiale dello stampo che influiscono sulla levigatezza della superficie per i getti. La ricerca è stata condotta su getti di alluminio ma ha applicazioni e rilevanza nelle leghe ferrose che non presentano difetti come difetti di penetrazione o sabbia fusa. Lo studio indaga l'influenza delle caratteristiche dei mezzi di stampaggio come la finezza della sabbia, il tipo di materiale e la selezione del rivestimento refrattario. L'obiettivo del progetto era realizzare finiture superficiali microfusione in parti colate in sabbia.
Risultati di permeabilità e superficie
La permeabilità AFS è definita come la quantità di tempo necessaria affinché un volume noto di aria attraversi un campione standard a una prevalenza di 10 cm d'acqua. Semplicemente, la permeabilità AFS rappresenta la quantità di spazi aperti tra i grani di aggregato che consentono il passaggio dell'aria. Il GFN di un materiale modifica significativamente la permeabilità fino a 80 GFN, dove la tendenza sembra stabilizzarsi.
I dati mostrano che la stessa rugosità superficiale può essere ottenuta con qualsiasi forma di particella a velocità diverse. I materiali a grana sferica e tonda migliorano la levigatezza del getto a una velocità accelerata rispetto agli aggregati angolari e subangolari.
Risultati dell'angolo di contatto del gallio
Sono state condotte misurazioni dell'angolo di contatto per misurare la bagnabilità relativa degli aggregati di stampaggio legati con metallo liquido utilizzando un test al gallio liquido. Le sabbie ceramiche avevano l'angolo di contatto più alto mentre lo zircone e l'olivina condividevano un angolo di contatto inferiore simile. Il gallio ha mostrato un comportamento idrofobo su tutte le superfici sabbiose. Un simile AFS-GFN è stato utilizzato per tutti i campioni. I risultati indicano che l'angolo di contatto per i tipi di sabbia dipendeva fortemente dalla forma dei grani dell'aggregato, come mostrato sull'asse secondario, piuttosto che dal materiale di base. Le sabbie ceramiche avevano la forma più rotonda e le sabbie di olivina mostravano una forma molto angolare. Mentre la bagnabilità superficiale dell'aggregato di base può svolgere un ruolo nella finitura superficiale del getto, l'intervallo delle misurazioni dell'angolo di contatto nella serie di test era subordinato alla forma del grano.
Risultati della rugosità superficiale dai getti di prova
I risultati della rugosità superficiale sono stati misurati utilizzando un profilometro a contatto. C'è stato un miglioramento significativo nella levigatezza della superficie dalla silice 44 GFN a tre retini alla silice 67 GFN a quattro retini. Le modifiche oltre 67 GFN non hanno mostrato un impatto sulla rugosità superficiale nonostante la variazione della larghezza di distribuzione. Viene rispettato il valore soglia di 185 RMS.
È possibile osservare un notevole miglioramento della levigatezza tra i materiali 101 e 106 GFN. La sabbia 106 GFN ha oltre il 17% in più di materiale 200 mesh nella distribuzione dello schermo. I materiali GFN 115 e 118 a due schermi hanno comportato una diminuzione della scorrevolezza. La sabbia 143 GFN ha prodotto letture simili allo zircone 106 GFN. Il valore di soglia è 200 RMS.
È stato osservato un costante miglioramento della levigatezza della superficie dalla cromite 49 GFN a quattro retini alla cromite 73 GFN a tre retini nonostante la distribuzione delle particelle si restringesse. Un aumento del 19% nella ritenzione del vaglio da 140 mesh è stato osservato nella cromite 73 GFN rispetto alla 49 GFN. È stato mostrato un aumento significativo della levigatezza della colata dalle sabbie di cromite a tre vagli 73 GFN a quelle a quattro vagli 77 GFN, indipendentemente dai loro numeri simili di finezza dei grani. Non è stato osservato alcun cambiamento nella levigatezza tra i materiali di cromite 77 GFN e 99 GFN. È interessante notare che le due sabbie condividevano una ritenzione molto simile nella rete da 200 mesh. Il valore di soglia è 250 RMS.
C'è un miglioramento significativo nella scorrevolezza della colata dall'olivina 78 GFN all'olivina 84 GFN nonostante la distribuzione più ristretta. Un aumento della ritenzione del 15% nel vaglio da 140 mesh era visibile nell'olivina 84 GFN. C'è un significato tra l'olivina 84 e 85 GFN. L'olivina 85 GFN ha migliorato la levigatezza di 50. L'olivina 85 GFN è una sabbia a tre vagli con una ritenzione di quasi il 10% nel vaglio da 200 mesh, mentre l'olivina 84 GFN è semplicemente un materiale a due vagli. È possibile osservare un costante miglioramento della scorrevolezza dall'olivina 85 GFN all'olivina 98 GFN. La distribuzione del vaglio mostra un aumento del 5% di ritenzione nel vaglio da 200 mesh. Non è stato osservato alcun cambiamento dall'olivina 98 GFN all'olivina 114 GFN nonostante un aumento della ritenzione di 200 mesh di quasi il 7%.
È possibile osservare un valore di soglia di 244 RMS.
I risultati di rugosità superficiale per le fusioni ottenute da anime ceramiche mostrano un leggero miglioramento tra i materiali 32 GFN e 41 GFN. C'è stato un aumento della ritenzione del vaglio a 70 mesh del 34% nella sabbia 41 GFN. È stato osservato un aumento significativo della levigatezza tra le ceramiche 41 GFN e 54 GFN. Il materiale 54 GFN presentava una ritenzione maggiore di oltre il 19% nel vaglio da 100 mesh rispetto al materiale 41 GFN. Questo miglioramento si è verificato nonostante il restringimento della distribuzione nel materiale 54 GFN. L'impatto maggiore nei risultati della ceramica è stato osservato tra le sabbie 54 GFN e 68 GFN. La sabbia 68 GFN aveva una ritenzione superiore del 15% nel vaglio da 140 mesh che ne ampliava la distribuzione. Nonostante un aumento di oltre il 40% di ritenzione nel vaglio da 140 mesh, è stato osservato un piccolo miglioramento tra i materiali 68 GFN e 92 GFN. Il valore di soglia è 236 RMS.
Le superfici generate dalle sabbie stampate in 3D sono significativamente più ruvide di una superficie di sabbia battuta utilizzando lo stesso aggregato. I campioni stampati con l'orientamento XY hanno fornito la superficie di colata di prova più liscia, mentre quelli stampati con l'orientamento XZ e YZ sono risultati i più ruvidi.
La sabbia silicea 83 GFN non rivestita di silice pressata ha prodotto un valore di rugosità di 185 RMS. Sebbene i getti apparissero più lisci, i rivestimenti refrattari aumentavano la rugosità superficiale misurata dal profilometro. Il rivestimento in allumina a base alcolica ha mostrato le migliori prestazioni, mentre il rivestimento in zircone a base alcolica ha prodotto la rugosità più elevata. Gli 83 campioni stampati in 3D GFN hanno mostrato l'effetto opposto. Mentre il campione non rivestito è stato stampato nell'orientamento più favorevole di XY, il campione non rivestito ha mostrato una rugosità di colata di 943 RMS. I rivestimenti hanno levigato la superficie sostanzialmente dalla finitura superficiale non rivestita da un minimo di 339 a un massimo di 488 RMS. Sembra che la finitura superficiale delle sabbie rivestite sia alquanto indipendente dalla rugosità della sabbia del substrato e dipenda fortemente dalla formulazione del rivestimento refrattario. La sabbia stampata in 3D, sebbene inizi con una finitura superficiale molto più ruvida, può essere notevolmente migliorata con l'uso di rivestimenti refrattari.
Conclusioni
Gli aggregati per stampaggio attualmente disponibili hanno la capacità di raggiungere valori di rugosità superficiale inferiori a 200 micropollici RMS. Questi valori sono leggermente all'interno dei valori associati ai getti di investimento. Per i materiali testati, ciascuno ha mostrato una diminuzione della rugosità del getto con l'aumento della finezza del grano AFS aggregato. Ciò valeva per tutti i materiali fino a un valore soglia, momento in cui non si osservava alcuna ulteriore diminuzione della rugosità del getto con l'aumento dell'AFS-GFN. Ciò è stato supportato da ricerche condotte in precedenza.
All'interno di tutti i gruppi di materiali, l'effetto di AFS-GFN era secondario sia alla superficie calcolata che alla permeabilità dell'aggregato. Mentre si può pensare che la permeabilità descriva le aree aperte della sabbia compattata, l'area superficiale descrive meglio la distribuzione dello schermo della sabbia e la corrispondente quantità di particelle fini. Sia la permeabilità che l'area superficiale erano direttamente correlate alla levigatezza della superficie del getto. Va notato che questo era vero per gli aggregati all'interno di un gruppo di forme. Sebbene gli aggregati angolari e sub-angolari avessero aree superficiali elevate, la loro permeabilità era elevata e indicava una superficie aperta. Gli aggregati sferici e arrotondati hanno mostrato le superfici più lisce combinando una bassa permeabilità con un'area superficiale elevata.
Originariamente si riteneva che la bagnabilità della superficie, misurata dall'angolo di contatto tra il metallo liquido e l'aggregato legato, fosse un fattore critico nella risultante finitura superficiale del getto. Mentre è stato dimostrato che l'angolo di contatto su vari materiali con AFS-GFN simile non era proporzionale alla rugosità del getto, è stato confermato che la forma del grano era un fattore importante. L'assenza di una relazione tra l'angolo di contatto e la rugosità della superficie del getto potrebbe essere spiegata dal fatto che la forma dei grani è stata vista come una delle maggiori influenze sulla rugosità della superficie. Esiste una possibilità significativa che l'angolo di contatto di vari materiali sia stato influenzato maggiormente dalla forma dei grani e dalla conseguente levigatezza della superficie rispetto a quella della bagnabilità del solo materiale.
La fusione a cera persa fornisce parti molto lisce con un'eccellente risoluzione delle caratteristiche e precisione dimensionale. Gli stampi e le anime in sabbia stampati in 3D possono fornire un'alternativa economica alla microfusione se il processo è in grado di soddisfare i requisiti sia dimensionali che superficiali.
Sebbene siano stati apportati molti cambiamenti e miglioramenti nell'area dei materiali di consumo per fonderia, la sabbia è l'unico materiale che è rimasto in qualche modo costante. Dopo l'estrazione e il lavaggio, se necessario, le sabbie di fonderia vengono classificate in gruppi singoli oa due maglie e stoccate. Sono combinati in normali distribuzioni per la spedizione al cliente della fonderia. Sebbene esistano molte diverse distribuzioni minerarie, la sabbia con un numero di finezza della grana AFS simile viene fornita in distribuzioni simili. La finitura superficiale è parte integrante delle specifiche di qualità della fusione. Finiture superficiali interne ruvide sui getti possono causare la perdita di efficienza sia per i fluidi che per i gas ad alta velocità. Questo è il caso dei componenti del turbocompressore e del collettore di aspirazione. La University of Northern Iowa ha studiato le caratteristiche del materiale dello stampo che influiscono sulla levigatezza della superficie per i getti. La ricerca è stata condotta su getti di alluminio ma ha applicazioni e rilevanza nelle leghe ferrose che non presentano difetti come difetti di penetrazione o sabbia fusa. Lo studio indaga l'influenza delle caratteristiche dei mezzi di stampaggio come la finezza della sabbia, il tipo di materiale e la selezione del rivestimento refrattario. L'obiettivo del progetto era realizzare finiture superficiali microfusione in parti colate in sabbia.
Risultati di permeabilità e superficie
La permeabilità AFS è definita come la quantità di tempo necessaria affinché un volume noto di aria attraversi un campione standard a una prevalenza di 10 cm d'acqua. Semplicemente, la permeabilità AFS rappresenta la quantità di spazi aperti tra i grani di aggregato che consentono il passaggio dell'aria. Il GFN di un materiale modifica significativamente la permeabilità fino a 80 GFN, dove la tendenza sembra stabilizzarsi.
I dati mostrano che la stessa rugosità superficiale può essere ottenuta con qualsiasi forma di particella a velocità diverse. I materiali a grana sferica e tonda migliorano la levigatezza del getto a una velocità accelerata rispetto agli aggregati angolari e subangolari.
Risultati dell'angolo di contatto del gallio
Sono state condotte misurazioni dell'angolo di contatto per misurare la bagnabilità relativa degli aggregati di stampaggio legati con metallo liquido utilizzando un test al gallio liquido. Le sabbie ceramiche avevano l'angolo di contatto più alto mentre lo zircone e l'olivina condividevano un angolo di contatto inferiore simile. Il gallio ha mostrato un comportamento idrofobo su tutte le superfici sabbiose. Un simile AFS-GFN è stato utilizzato per tutti i campioni. I risultati indicano che l'angolo di contatto per i tipi di sabbia dipendeva fortemente dalla forma dei grani dell'aggregato, come mostrato sull'asse secondario, piuttosto che dal materiale di base. Le sabbie ceramiche avevano la forma più rotonda e le sabbie di olivina mostravano una forma molto angolare. Mentre la bagnabilità superficiale dell'aggregato di base può svolgere un ruolo nella finitura superficiale del getto, l'intervallo delle misurazioni dell'angolo di contatto nella serie di test era subordinato alla forma del grano.
Risultati della rugosità superficiale dai getti di prova
I risultati della rugosità superficiale sono stati misurati utilizzando un profilometro a contatto. C'è stato un miglioramento significativo nella levigatezza della superficie dalla silice 44 GFN a tre retini alla silice 67 GFN a quattro retini. Le modifiche oltre 67 GFN non hanno mostrato un impatto sulla rugosità superficiale nonostante la variazione della larghezza di distribuzione. Viene rispettato il valore soglia di 185 RMS.
È possibile osservare un notevole miglioramento della levigatezza tra i materiali 101 e 106 GFN. La sabbia 106 GFN ha oltre il 17% in più di materiale 200 mesh nella distribuzione dello schermo. I materiali GFN 115 e 118 a due schermi hanno comportato una diminuzione della scorrevolezza. La sabbia 143 GFN ha prodotto letture simili allo zircone 106 GFN. Il valore di soglia è 200 RMS.
È stato osservato un costante miglioramento della levigatezza della superficie dalla cromite 49 GFN a quattro retini alla cromite 73 GFN a tre retini nonostante la distribuzione delle particelle si restringesse. Un aumento del 19% nella ritenzione del vaglio da 140 mesh è stato osservato nella cromite 73 GFN rispetto alla 49 GFN. È stato mostrato un aumento significativo della levigatezza della colata dalle sabbie di cromite a tre vagli 73 GFN a quelle a quattro vagli 77 GFN, indipendentemente dai loro numeri simili di finezza dei grani. Non è stato osservato alcun cambiamento nella levigatezza tra i materiali di cromite 77 GFN e 99 GFN. È interessante notare che le due sabbie condividevano una ritenzione molto simile nella rete da 200 mesh. Il valore di soglia è 250 RMS.
C'è un miglioramento significativo nella scorrevolezza della colata dall'olivina 78 GFN all'olivina 84 GFN nonostante la distribuzione più ristretta. Un aumento della ritenzione del 15% nel vaglio da 140 mesh era visibile nell'olivina 84 GFN. C'è un significato tra l'olivina 84 e 85 GFN. L'olivina 85 GFN ha migliorato la levigatezza di 50. L'olivina 85 GFN è una sabbia a tre vagli con una ritenzione di quasi il 10% nel vaglio da 200 mesh, mentre l'olivina 84 GFN è semplicemente un materiale a due vagli. È possibile osservare un costante miglioramento della scorrevolezza dall'olivina 85 GFN all'olivina 98 GFN. La distribuzione del vaglio mostra un aumento del 5% di ritenzione nel vaglio da 200 mesh. Non è stato osservato alcun cambiamento dall'olivina 98 GFN all'olivina 114 GFN nonostante un aumento della ritenzione di 200 mesh di quasi il 7%.
È possibile osservare un valore di soglia di 244 RMS.
I risultati di rugosità superficiale per le fusioni ottenute da anime ceramiche mostrano un leggero miglioramento tra i materiali 32 GFN e 41 GFN. C'è stato un aumento della ritenzione del vaglio a 70 mesh del 34% nella sabbia 41 GFN. È stato osservato un aumento significativo della levigatezza tra le ceramiche 41 GFN e 54 GFN. Il materiale 54 GFN presentava una ritenzione maggiore di oltre il 19% nel vaglio da 100 mesh rispetto al materiale 41 GFN. Questo miglioramento si è verificato nonostante il restringimento della distribuzione nel materiale 54 GFN. L'impatto maggiore nei risultati della ceramica è stato osservato tra le sabbie 54 GFN e 68 GFN. La sabbia 68 GFN aveva una ritenzione superiore del 15% nel vaglio da 140 mesh che ne ampliava la distribuzione. Nonostante un aumento di oltre il 40% di ritenzione nel vaglio da 140 mesh, è stato osservato un piccolo miglioramento tra i materiali 68 GFN e 92 GFN. Il valore di soglia è 236 RMS.
Le superfici generate dalle sabbie stampate in 3D sono significativamente più ruvide di una superficie di sabbia battuta utilizzando lo stesso aggregato. I campioni stampati con l'orientamento XY hanno fornito la superficie di colata di prova più liscia, mentre quelli stampati con l'orientamento XZ e YZ sono risultati i più ruvidi.
La sabbia silicea 83 GFN non rivestita di silice pressata ha prodotto un valore di rugosità di 185 RMS. Sebbene i getti apparissero più lisci, i rivestimenti refrattari aumentavano la rugosità superficiale misurata dal profilometro. Il rivestimento in allumina a base alcolica ha mostrato le migliori prestazioni, mentre il rivestimento in zircone a base alcolica ha prodotto la rugosità più elevata. Gli 83 campioni stampati in 3D GFN hanno mostrato l'effetto opposto. Mentre il campione non rivestito è stato stampato nell'orientamento più favorevole di XY, il campione non rivestito ha mostrato una rugosità di colata di 943 RMS. I rivestimenti hanno levigato la superficie sostanzialmente dalla finitura superficiale non rivestita da un minimo di 339 a un massimo di 488 RMS. Sembra che la finitura superficiale delle sabbie rivestite sia alquanto indipendente dalla rugosità della sabbia del substrato e dipenda fortemente dalla formulazione del rivestimento refrattario. La sabbia stampata in 3D, sebbene inizi con una finitura superficiale molto più ruvida, può essere notevolmente migliorata con l'uso di rivestimenti refrattari.
Conclusioni
Gli aggregati per stampaggio attualmente disponibili hanno la capacità di raggiungere valori di rugosità superficiale inferiori a 200 micropollici RMS. Questi valori sono leggermente all'interno dei valori associati ai getti di investimento. Per i materiali testati, ciascuno ha mostrato una diminuzione della rugosità del getto con l'aumento della finezza del grano AFS aggregato. Ciò valeva per tutti i materiali fino a un valore soglia, momento in cui non si osservava alcuna ulteriore diminuzione della rugosità del getto con l'aumento dell'AFS-GFN. Ciò è stato supportato da ricerche condotte in precedenza.
All'interno di tutti i gruppi di materiali, l'effetto di AFS-GFN era secondario sia alla superficie calcolata che alla permeabilità dell'aggregato. Mentre si può pensare che la permeabilità descriva le aree aperte della sabbia compattata, l'area superficiale descrive meglio la distribuzione dello schermo della sabbia e la corrispondente quantità di particelle fini. Sia la permeabilità che l'area superficiale erano direttamente correlate alla levigatezza della superficie del getto. Va notato che questo era vero per gli aggregati all'interno di un gruppo di forme. Sebbene gli aggregati angolari e sub-angolari avessero aree superficiali elevate, la loro permeabilità era elevata e indicava una superficie aperta. Gli aggregati sferici e arrotondati hanno mostrato le superfici più lisce combinando una bassa permeabilità con un'area superficiale elevata.
Originariamente si riteneva che la bagnabilità della superficie, misurata dall'angolo di contatto tra il metallo liquido e l'aggregato legato, fosse un fattore critico nella risultante finitura superficiale del getto. Mentre è stato dimostrato che l'angolo di contatto su vari materiali con AFS-GFN simile non era proporzionale alla rugosità del getto, è stato confermato che la forma del grano era un fattore importante. L'assenza di una relazione tra l'angolo di contatto e la rugosità della superficie del getto potrebbe essere spiegata dal fatto che la forma dei grani è stata vista come una delle maggiori influenze sulla rugosità della superficie. Esiste una possibilità significativa che l'angolo di contatto di vari materiali sia stato influenzato maggiormente dalla forma dei grani e dalla conseguente levigatezza della superficie rispetto a quella della bagnabilità del solo materiale.
Come con tutti gli strumenti di misura, gli artefatti del metodo di prova possono influenzare i risultati in una certa misura. L'aumento della rugosità del getto, anche se visivamente i getti apparivano più lisci con l'applicazione del rivestimento refrattario, può essere dovuto alla forma dei picchi e degli avvallamenti creati con i rivestimenti. Per definizione e misurazione, i rivestimenti refrattari hanno solo aumentato la rugosità superficiale rispetto ai campioni non rivestiti. Tutti i rivestimenti refrattari hanno avuto molto successo nel migliorare la rugosità superficiale delle sabbie stampate in 3D. È apparso che la finitura superficiale dei getti di prova da campioni rivestiti era alquanto indipendente dalla sabbia del substrato di partenza. I rivestimenti hanno avuto un effetto importante sulla finitura superficiale, ma sono necessari ulteriori lavori per rivedere i rivestimenti e migliorare le finiture di colata.
A cura di Santos Wang di Ningbo Zhiye Mechanical Components Co.,Ltd.
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