أخبار الصب العالمية

الخصائص الحاسمة التي تؤثر على السطح النهائي للمسبوكات

2021-01-06

اقتربت دقة الأبعاد التي يمكن بها الآن إنتاج مصبوبات الرمل من دقة المسبوكات الاستثمارية. لقد حسنت تقنيات الطباعة الرملية ثلاثية الأبعاد بشكل كبير من دقة الأبعاد للقوالب والنوى ولكنها فشلت في مطابقة نعومة السطح لمسبوكات الرمل التقليدية ، ناهيك عن مصبوبات الاستثمار.

يوفر صب الاستثمار أجزاء ناعمة للغاية مع دقة ممتازة ودقة الأبعاد. قد توفر القوالب والقوالب الرملية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لصب الاستثمار إذا كانت العملية يمكن أن تلبي متطلبات الأبعاد والمتطلبات السطحية.

على الرغم من إجراء العديد من التغييرات والتحسينات في مجال المواد الاستهلاكية الخاصة بالمسبك ، فإن الرمل هو المادة الوحيدة التي ظلت ثابتة إلى حد ما. بعد التعدين والغسيل ، إذا لزم الأمر ، يتم تصنيف رمال المسبك إلى مجموعات فردية أو ثنائية الشبكة وتخزينها. يتم دمجها في التوزيعات العادية للشحن إلى زبون المسبك. على الرغم من وجود العديد من توزيعات المناجم المختلفة ، إلا أنه يتم توفير رمل من نفس رقم دقة حبوب AFS في توزيعات مماثلة. تشطيب السطح هو جزء لا يتجزأ من مواصفات جودة الصب. يمكن أن تتسبب التشطيبات السطحية الداخلية الخشنة على المصبوبات في فقدان الكفاءة لكل من السوائل والغازات عالية السرعة. هذا هو الحال بالنسبة للشاحن التوربيني ومكونات السحب المتعددة. تقوم جامعة Northern Iowa بالتحقيق في خصائص مواد العفن التي تؤثر على نعومة السطح للمسبوكات. تم إجراء البحث على مصبوبات الألمنيوم ولكن له تطبيقات وملاءمة في السبائك الحديدية التي لا تظهر عيوبًا مثل اختراق أو عيوب الرمال المنصهرة. تبحث الدراسة في تأثير خصائص وسائط القولبة مثل نعومة الرمل ونوع المادة واختيار الطلاء المقاوم للصهر. كان الهدف من المشروع هو تحقيق الاستثمار في التشطيبات السطحية للصب في أجزاء الصب بالرمل.

النفاذية ونتائج مساحة السطح

يتم تعريف نفاذية AFS على أنها مقدار الوقت الذي يستغرقه حجم معروف من الهواء للمرور عبر عينة قياسية على رأس 10 سم من الماء. ببساطة ، تمثل نفاذية AFS مقدار المساحات المفتوحة بين الحبيبات الكلية التي تسمح للهواء بالمرور. يغير GFN للمادة بشكل كبير من النفاذية حتى 80 GFN ، حيث يبدو أن الاتجاه مستوي.

تُظهر البيانات أنه يمكن تحقيق نفس خشونة السطح بأي شكل جسيم بمعدلات مختلفة. تعمل مواد الحبيبات الكروية والدائرية على تحسين نعومة الصب بمعدل متسارع بالمقارنة مع الركام الزاوي وشبه الزاوي.

نتائج زاوية الاتصال الغاليوم

تم إجراء قياسات زاوية التلامس لقياس قابلية البلل النسبية لركام القولبة المترابط مع معدن سائل باستخدام اختبار الغاليوم السائل. كان للرمال الخزفية أعلى زاوية تلامس بينما يشترك الزركون والزبرجد الزيتوني في زاوية تلامس منخفضة مماثلة. أظهر الغاليوم سلوكًا كارهًا للماء على جميع الأسطح الرملية. تم استخدام AFS-GFN مماثل لجميع العينات. تشير النتائج إلى أن زاوية التلامس لأنواع الرمل تعتمد بشكل كبير على شكل الحبيبات الكلي كما هو موضح في المحور الثانوي ، بدلاً من المادة الأساسية. كان للرمال الخزفية الشكل الأكثر استدارة ، وكانت رمال الزبرجد الزيتوني لها شكل زاوي للغاية. في حين أن قابلية البلل السطحي للركام الأساسي قد تلعب دورًا في صب السطح النهائي ، فإن نطاق قياسات زاوية الاتصال في سلسلة الاختبار كان تابعًا لشكل الحبوب.

نتائج خشونة السطح من اختبار المسبوكات

تم قياس نتائج خشونة السطح باستخدام مقياس التلامس. كان هناك تحسن كبير في نعومة السطح من ثلاث شاشات 44 GFN سيليكا إلى أربع شاشات 67 GFN سيليكا. التغييرات التي تتجاوز 67 GFN لم تظهر أي تأثير على خشونة السطح على الرغم من التباين في عرض التوزيع. لوحظ قيمة العتبة 185 RMS.

يمكن ملاحظة تحسن كبير في النعومة بين المواد 101 و 106 GFN. يحتوي رمل 106 GFN على أكثر من 17٪ مادة شبكية أكثر من 200 في توزيع الغربال. أدت المواد ذات الشاشتين 115 و 118 GFN إلى انخفاض النعومة. نتج عن الرمال 143 GFN قراءات مماثلة للزركون 106 GFN. قيمة العتبة هي 200 RMS.

لوحظ تحسن مطرد في نعومة السطح من الكروميت 49 GFN ذي الأربع شاشات إلى الكروميت 73 GFN ذي الثلاث شاشات على الرغم من أن توزيع الجسيمات أصبح أضيق. شوهدت زيادة بنسبة 19 ٪ في الاحتفاظ بالشاشة ذات 140 شبكة في الكروميت 73 GFN مقارنة بـ 49 GFN. تم عرض زيادة كبيرة في نعومة الصب من 73 GFN ذات الثلاث شاشات إلى رمال الكروميت 77 GFN ذات الشاشات الأربع بغض النظر عن أرقام نعومة الحبوب المماثلة. لم يلاحظ أي تغيير في النعومة بين مواد الكروميت 77 GFN و 99 GFN. ومن المثير للاهتمام ، أن الرمال تشتركان في استبقاء مماثل للغاية في شاشة 200 شبكة. قيمة العتبة هي 250 RMS.

هناك تحسن كبير في نعومة الصب من 78 GFN أوليفين إلى 84 GFN أوليفين على الرغم من التوزيع الضيق. كانت هناك زيادة بنسبة 15 ٪ في الاحتفاظ في الشاشة ذات 140 شبكة في 84 GFN أوليفين. هناك أهمية بين 84 و 85 GFN أوليفين. قام زيت الزيتون 85 GFN بتحسين النعومة بمقدار 50. أوليفين 85 GFN عبارة عن رمل بثلاث شاشات مع احتفاظ بنسبة 10 ٪ تقريبًا في شاشة 200 شبكة بينما يعتبر 84 GFN أوليفين مجرد مادة ذات شاشتين. يمكن ملاحظة تحسن مطرد في النعومة من 85 GFN أوليفين إلى 98 GFN أوليفين. يُظهر توزيع الشاشة زيادة بنسبة 5٪ في الاحتفاظ بالشاشة ذات 200 شبكة. لم يلاحظ أي تغيير من 98 GFN إلى 114 GFN أوليفين على الرغم من الزيادة في 200 شبكة الاحتفاظ بما يقرب من 7 ٪.

يمكن ملاحظة قيمة حدية تبلغ 244 RMS.

تظهر نتائج خشونة السطح للمسبوكات التي تم الحصول عليها من لب السيراميك تحسنًا طفيفًا بين 32 GFN و 41 GFN. كانت هناك زيادة في الاحتفاظ بالشبكة ذات 70 شبكة بنسبة 34٪ في الرمال 41 GFN. لوحظ زيادة كبيرة في النعومة بين السيراميك 41 GFN و 54 GFN. تتمتع المادة 54 GFN باحتفاظ أكبر بنسبة 19٪ في شاشة 100 شبكة مقارنةً بمادة 41 GFN. حدث هذا التحسن على الرغم من تضييق التوزيع في 54 مادة GFN. لوحظ أكبر تأثير في نتائج السيراميك بين رمال 54 GFN و 68 GFN. كان للرمل 68 GFN احتباس أعلى بنسبة 15٪ في الغربال ذو 140 شبكة مما وسع التوزيع. على الرغم من زيادة الاحتفاظ بأكثر من 40٪ في شاشة 140 شبكة ، لوحظ تحسن طفيف بين مواد 68 GFN و 92 GFN. قيمة العتبة هي 236 RMS.

تكون الأسطح الناتجة عن الرمال المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر خشونة من سطح الرمل المدك باستخدام نفس الركام. قدمت العينات المطبوعة في اتجاه XY أكثر سطح صب للاختبار سلاسة بينما أدت تلك المطبوعة في اتجاه XZ ​​و YZ إلى الأسوأ.

نتج عن رمال السيليكا المتصدعة غير المطلية 83 GFN قيمة خشونة 185 RMS. على الرغم من أن المسبوكات بدت أكثر سلاسة ، إلا أن الطلاءات المقاومة للصهر زادت من خشونة السطح كما تم قياسها بواسطة مقياس البروفايل. أظهر طلاء الألومينا المعتمد على الكحول أفضل أداء بينما نتج عن طلاء الزركون القائم على الكحول أعلى خشونة. أظهرت العينات المطبوعة 83 GFN 3-D التأثير المعاكس. بينما تم طبع العينة غير المطلية في الاتجاه الأكثر ملاءمة لـ XY ، أظهرت العينة غير المطلية خشونة صب تبلغ 943 RMS. قامت الطلاءات بتنعيم السطح بشكل كبير من تشطيب السطح غير المطلي من 339 إلى ارتفاع 488 RMS. يبدو أن سطح الرمال المطلية مستقل إلى حد ما عن خشونة طبقة الرمل ويعتمد بشكل كبير على صياغة الطلاء المقاوم للحرارة. يمكن تحسين الرمال المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، على الرغم من أنها تبدأ بسطح أكثر خشونة ، بشكل كبير باستخدام الطلاءات المقاومة للحرارة.

الاستنتاجات

تمتلك مجاميع القولبة المتوفرة حاليًا القدرة على تحقيق قيم خشونة السطح أقل من 200 ميكرو بوصة RMS. هذه القيم تقع قليلاً ضمن القيم المرتبطة بمسبوكات الاستثمار. بالنسبة للمواد المختبرة ، أظهر كل منها انخفاضًا في خشونة الصب مع زيادة نعومة حبيبات الركام AFS. كان هذا صحيحًا مع جميع المواد حتى قيمة العتبة ، وفي ذلك الوقت لم يلاحظ أي انخفاض إضافي في خشونة الصب مع زيادة AFS-GFN. تم دعم ذلك من خلال البحث الذي تم إجراؤه مسبقًا.

ضمن جميع مجموعات المواد ، كان تأثير AFS-GFN ثانويًا لكل من مساحة السطح المحسوبة ونفاذية الركام. بينما يمكن الاعتقاد بأن النفاذية تصف المناطق المفتوحة للرمل المضغوط ، فإن مساحة السطح تصف بشكل أفضل توزيع الغربال للرمل والكمية المقابلة من الجسيمات الدقيقة. ترتبط كل من النفاذية ومساحة السطح ارتباطًا مباشرًا بنعومة سطح الصب. وتجدر الإشارة إلى أن هذا كان صحيحًا بالنسبة للتجميعات داخل مجموعة الشكل. على الرغم من أن الركام الزاوي وشبه الزاوي يحتوي على مساحات سطحية عالية ، إلا أن نفاذه كانت عالية وتشير إلى سطح مفتوح. أظهرت الركام الكروية والدائرية الأسطح الأكثر نعومة التي تجمع بين نفاذية منخفضة مع مساحة سطح عالية.

كان يعتقد في الأصل أن تبلل السطح كما تم قياسه بزاوية التلامس بين المعدن السائل والركام المرتبط كان عاملاً حاسمًا في إنهاء سطح الصب الناتج. بينما تبين أن زاوية التلامس على المواد المختلفة في AFS-GFN المتشابهة لم تكن متناسبة مع خشونة الصب ، فقد تم التأكيد على أن شكل الحبوب كان عاملاً رئيسياً. يمكن تفسير عدم وجود علاقة بين زاوية التلامس وخشونة سطح الصب من خلال حقيقة أن شكل الحبوب كان يُنظر إليه على أنه تأثير رئيسي في خشونة السطح. هناك احتمال كبير بأن زاوية التلامس للمواد المختلفة قد تأثرت بشكل الحبيبات ونعومة السطح الناتجة أكثر من قابلية البلل للمادة وحدها.

كما هو الحال مع جميع أدوات القياس ، قد تؤثر القطع الأثرية لطريقة الاختبار على النتائج إلى حد ما. قد تكون الزيادة في خشونة الصب ، على الرغم من أن المصبوبات بدت أكثر سلاسة مع تطبيق الطلاء المقاوم للحرارة ، بسبب شكل القمم والوديان التي تم إنشاؤها باستخدام الطلاء. من خلال التعريف والقياس ، زادت الطلاءات المقاومة للحرارة فقط من خشونة السطح على العينات غير المطلية. كانت جميع الطلاءات المقاومة للصهر ناجحة جدًا في تحسين خشونة سطح الرمال المطبوعة ثلاثية الأبعاد. يبدو أن السطح النهائي لمصبوبات الاختبار من العينات المطلية كان مستقلاً إلى حد ما عن طبقة الرمل الأساسية. كان للطلاءات تأثير كبير على تشطيب السطح ولكن يلزم مزيد من العمل لمراجعة الطلاء لتحسين تشطيبات الصب.

تستند هذه المقالة إلى الورقة 17-094 التي تم تقديمها في مؤتمر Metalcasting 2017.