Műgyantás homokmagok szilárdsági tulajdonságainak változása hőterhelés hatására

Átírás

1 Műgyantás homokmagok szilárdsági tulajdonságainak változása hőterhelés hatására Mádi Laura Johanna 1, Dr. Dúl Jenő 2, Császár Csaba 3 1 MSc. kohómérnök-hallgató, 2 címzetes egyetemi tanár, 3 fejlesztőmérnök 1,2 Miskolci Egyetem, Öntészeti Intézet, 3 Könnyűfémöntészeti Kihelyezett Nemak Tanszék BEVEZETÉS Az elmúlt évtizedben jelentősen fejlődött a járműipari öntvénygyártás. A hengerfejek és motorblokkok gyártásában világszerte vezető szerepet betöltő Nemak Győr Kft. a folyamatos technológiai fejlődése révén az autóipar meghatározó szereplőinek partnerévé válhatott. A növekedő szilárdsági követelmények mellett egyre nagyobb az igény a bonyolultabb geometriájú és könnyebb hengerfejek iránt. 1. ábra Bonyolult geometriájú magok A lecsökkentett keresztmetszetű és a hosszú magok előállítása magkészítők számára is nagy kihívást jelent, ugyanis magok szilárdsági tulajdonságaival szemben kettős elvárásnak kell érvényesülnie. El kell viselnie a formatöltés és megszilárdulás közben a folyékony fém hő (720 C)- és mechanikai hatását, ugyanakkor az öntvény üregeiből könnyen eltávolíthatónak kell lennie. A folyékony fém mechanikai tulajdonságaival szembeni ellenálló képességet jól tükrözi a hajlítóvizsgálat, ugyanakkor az üríthetőség vizsgálatára egy új mérési módszer kidolgozására volt szükség, az éknyomó- vizsgálatra. KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK Cikkünkben cold-box eljárással elkészített próbatestek mérési eredményeket mutatunk be, amit két különböző berendezéssel (2. ábra) és két különböző módszerrel (hajlítószilárdság- és éknyomóvizsgálat) mértünk. Méréseimet öntödei szabvány (VDG Merkblatt) szerint végeztem el.[2] A homokkeverékeket fenol műgyantából (0,6%), izocianátból (0,6%) és termikusan regenerált kvarchomokból készítettük el. [1] DOI: /musci

2 2. ábra A: Multiserw típusú hagyományos hajlítószilárdság vizsgáló berendezés, B: felszerelt szilárdságvizsgáló berendezés Az útjeladóval és erőmérő cellával felszerelt szilárdságvizsgáló berendezés [3] kétféle vizsgálatra alkalmas, hárompontos hajlítószilárdság mérésre és éknyomóvizsgálatra. A két módszer közötti különbséget a 3. ábrán szemléltetem. Az éknyomó- vizsgálat során az ékbenyomódása okozza a tönkremenetelt. 3. ábra A) hárompontos hajlítószilárdság mérés (a próbatest végeinek alátámasztásával) B) éknyomó- vizsgálat (teljes felületen történő alátámasztással) Az éknyomó-vizsgálat lehetővé teszi a kötési erők változásának feltérképezését a próbatest hossztengelye mentén. A próbatestek közepén hajlítószilárdságot mértem, majd éknyomó vizsgálattal először negyedeltem, majd nyolcadoltam próbatesteket, az 4. ábra szerint. 4. ábra A próbatest hossztengelye mentén történő elnevezések és elvégzett vizsgálatok HŐTERHELÉS A különböző hőterhelési körülmények alkalmazása lehetővé teszi számunkra a próbatesten belüli szilárdságváltozásának a vizsgálatát. Az alkalmazott paraméterek egy kötőanyag- beszállító cég laborjától átvett mérési protokoll tovább fejlesztett változata. A hőterhelési hőmérsékletek: 400 és 450 C, mivel öntés során a magok átlagosan ilyen hőmérsékletre melegednek fel. Hőterhelési idők a következők: 2,5; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25 és 30 perc.

3 A HAJLÍTÓSZILÁRDSÁG MÉRÉSI EREDMÉNYEI A mag inhomogén felépítésű kompozit anyag. Anyagi viselkedését tekintve izotróp, mivel a mechanikai viselkedését nem befolyásolja a terhelés iránya. A homokmagoknak nincs előírt alsó és felső szilárdsági határértéke. Az a mag jó, ami nem deformálódik öntés során és könnyedén üríthető. A hőterhelés nélküli próbatesteket referenciának neveztük el. Az 5. és a 6. ábrán a 400 és 450 C-os hőterhelés hatását mutatjuk be. 5. ábra A 400 C-os hőterhelés hatása A 400 C-os hőterhelésnél megfigyelhetjük, hogy a rövid hőterhelés hatására megnő a tönkremenetelhez tartozó erő és csökken a behajlás. Az utó szilárdság növekedés azt bizonyítja, hogy szobahőmérsékleten még nem ment végbe minden kötést erősítő reakció. 6. ábra A 450 C-os hőterhelés hatása A 450 C-os ilyen rövid idejű hőterhelés során ez a jelenség már nem figyelhető meg.

4 A 6. ábrán a tönkremenetelhez tartozó, hajlítószilárdság-behajlás értékeket kívánjuk szemléltetni. 7. ábra A 400 és a 450 C-os hőterhelés hatásának összehasonlítás Ha veszünk egy hajlítószilárdság értékhez tartozó példát a diagramról, például a 150 N/cm 2 -ert akkor megfigyelhetjük, hogy 450 C-os hőterhelés során ezt az értéket már 10 perc után, míg a 400 C-os hőterhelés során ezt az értéket majdnem kétszer annyi idő alatt (~19 perc) érjük el. A behajlás értékeknél egyfajta tendencia figyelhető meg, aminek a feltérképezésére újabb vizsgálatokra van szükség. ÉKNYOMÓ-VIZSGÁLAT A próbatest hossztengelye mentén történő kötéserők vizsgálatára az Öntészeti Tanszéken egy új vizsgálati módszert dolgoztunk ki, az éknyomó vizsgálatot. Ezzel a módszerrel lehetőségünk nyílt a függőleges lövéspozíciójú magok különböző részeinek a vizsgálatára. Hipotézisünk szerint a 180 mm-es lövő úthossz mentén nem egyenletes a homok halomsűrűsége. A 8. ábrán a próbatestlövőgép egy részlete látható. 8. ábra Maglövőgép

5 A próbatestek részeit mindig úgy jelöltem, hogy az,,f pont essen legközelebb a lövőnyíláshoz. Egy hőterhelés nélküli próbatest hossztengelye mentén mért éknyomó vizsgálat eredményét mutatjuk be a 9. ábrán. 9. ábra Hossztengelye mentén mért éknyomó-vizsgálat eredményei A 9. ábrán látható, hogy a fészek aljában nagyerőhatásra, kis benyomódás mellett ment tönkre a próbatest, tehát ez a rész ridegebb. A próbatest tetején, a lövőnyíláshoz közelebb, kis erő hatására, nagyobb benyomódás mellett morzsolódott szét a darab, ami plasztikus viselkedésre utal. A mag minőségét a maghomok keverékek tulajdonságaink kívül nagymértékben meghatározza, hogy a tömörsége, szerkezete mennyire egyenletes. A magfúvó- és lövőgépeken készített magok tömörödése elsősorban a homok-levegő áram mozgási energiájának, másodsorban a levegőnek a mag homokrétegeiben végbemenő filtrációjának következtében megy végbe. A próbatest szerkezeti inhomogenitás okainak kimutatására szimulációt készítettünk. A próbatest lövés szimulációból kivett pillanatképek a 10. ábrán láthatóak. 10. ábra Magma szimuláció

6 A magszekrény töltése után a levegő áthaladása folytatódik a homokkeverék pórusain keresztül a befúvónyílástól a kilevegőzések irányába. Így a légnyomástól, a porozitástól és a rétegvastagságtól függő nyomásgradiens keletkezik, ami további tömörítő hatást fejt ki. Ezeknek az energiáknak a hatékonysága függ a mag alakjától és a kilevegőzési rendszerétől is. [4] A szimuláció egy bizonyos tömörítő hatás mutatott ki, ami töltöttségi szintkülönbségén mutatkozott meg. A próbatestek alján lévő ridegebb viselkedést feltehetően a maglövőgép sajátossága okozhatja. KÜLÖNBÖZŐ HŐTERHELÉSEK HATÁSA A PRÓBATESTEK HOSSZTENGELYE MENTÉN Továbbiakban az egységnyi benyomódáshoz tartozó erő meghatározását ismertetjük. Az erő- elmozdulás (benyomódás) görbék leintegrálásával megkaptuk a próbatest tönkremeneteléhez szükséges befektetett munkát, Nmm mértékegységben. A nagy szórás miatt normálást hajtottunk végre, ami egyszerűen kifejezve azt jelenti, hogy a munkát elosztottuk a maximális elmozdulással (mm). Normálás után erőt kapunk, hiszen a mértékegységekből következik, hogy Nmm/mm=N. A 11. ábrán az egységnyi benyomódáshoz tartozó erőt mutatjuk be a próbatest hossztengelye mentén. 11. ábra Különböző idejű hőterhelések hatása A diagramokon jól látható, hogy minél több ideig vannak hőterhelésnek kitéve a próbatestek, annál jobban lecsökken a kötéserő nagysága. Következtetésképpen megállapítható, hogy a lövési úthossznak nem elhanyagolható a szerepe a magok szilárdságában.

7 ÖSSZEFOGLALÁS A magok folyékony fémmel szembeni ellenálló képességét a hajlítószilárdság vizsgálat jól tükrözi, de az üríthetőség vizsgálatához ez nem elegendő. Az Öntészeti Tanszéken kidolgoztunk egy új vizsgálati módszert, az éknyomó vizsgálatot. Ez a mérés lehetővé teszi a próbatest hossztengelye mentén a kötéserőség feltérképezését. Az A pontban rideg, míg az F mérési pontban plasztikus viselkedés figyeltünk meg. A szimulációs kiértékelés a nyomás gradiens hatására létrejövő utótömörödést mutatott ki. Feltehetően ez okozhatja a próbatesten belüli szerkezeti eltérést. A szerkezeti inhomogenitás feltehetően több belövési pont és több kilevegőző alkalmazásával elkerülhető lenne. A magkészítés szimulációjának bevezetése az üzemi vizsgálatok helyszínén már folyamatban van. Az útjeladóval és erőmérő cellával felszerelt szilárdságvizsgáló berendezéssel a magok terhelés közbeni alakváltozását is vizsgálni tudtuk. A behajlás értékeknél egyfajta tendenciát figyeltünk meg. Következtetésképpen megállapítható, hogy a lövési úthossznak nem elhanyagolható a szerepe a magok szilárdságában. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A bemutatott kutatómunka a Nemak Győr Kft támogatásával valósult meg. A cikktartalma A műgyantás homokmagok üríthetőségének vizsgálata című szakdolgozatom alapján készült, melynek konzulensei Dr. Dúl Jenő, Dr. Fegyverneki György és Császár Csaba. IRODALOMJEGYZÉK [1] Giesserei 93, JEAN DENIS, TRELOU-SUR-MARNE, UND ALEXANDER SCHREY, BOKEN, 2006.: Fortschrittliche Polyurethan-Cold-Box-Binder für Aluminiumguss mit verbessertem thermiscgen Zerfall und geringerer Umweltbelastung, Giesserei, 2006/01, , Düsseldorf [2] Online hivatkozás ( ): 2&cHash=79eb8122cf345d91e3a faa24 [3] Dipl.-Ing. Gerhard Schindelbacher, Dipl.- Ing. Hubert Kerber: Umfassende Charakterisierung von Formstoffen mit einer neuen Prüfmethode, Giesserei, Rundschau, 2013 Heft 3/4, S [4] Dr. Tóth Levente: Öntödei gépek és berendezések, Kézirat, Tankönyvkiadó, Budapest, 1989.