Kritische Eigenschaften, die die Oberflächenbeschaffenheit von Gussteilen beeinflussen

2022-10-13

Die Maßhaltigkeit, mit der Sandgussteile heute hergestellt werden können, hat sich der von Feingussteilen angenähert. 3-D-Sanddrucktechnologien haben die Maßhaltigkeit von Formen und Kernen erheblich verbessert, erreichen jedoch nicht die Oberflächenglätte herkömmlicher Sandgussteile, geschweige denn Feingussteile.

Feinguss liefert sehr glatte Teile mit ausgezeichneter Merkmalsauflösung und Maßhaltigkeit. 3-D-gedruckte Sandformen und -kerne können eine kostengünstige Alternative zum Feinguss darstellen, wenn das Verfahren sowohl die Maß- als auch die Oberflächenanforderungen erfüllen kann.

Obwohl viele Änderungen und Verbesserungen im Bereich der Gießerei-Verbrauchsmaterialien vorgenommen wurden, ist Sand das einzige Material, das einigermaßen konstant geblieben ist. Gießereisande werden nach dem Abbau und ggf. Waschen in Einzel- oder Zweimaschengruppierungen klassiert und gelagert. Sie werden zu Normalverteilungen für den Versand an den Gießereikunden zusammengefasst. Obwohl es viele verschiedene Minenverteilungen gibt, wird Sand mit ähnlicher AFS-Kornfeinheitszahl in ähnlichen Verteilungen geliefert. Die Oberflächenbeschaffenheit ist ein wesentlicher Bestandteil der Spezifikationen für die Gussqualität. Raue Innenoberflächen auf Gussteilen können zu Effizienzverlusten sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen mit hoher Geschwindigkeit führen. Dies ist der Fall bei Turbolader- und Ansaugkrümmerkomponenten. Die University of Northern Iowa hat Eigenschaften von Formmaterialien untersucht, die sich auf die Oberflächenglätte von Gussteilen auswirken. Die Forschung wurde an Aluminiumgussteilen durchgeführt, hat aber Anwendungen und Relevanz in Eisenlegierungen, die keine Defekte wie Penetrations- oder Schmelzsanddefekte aufweisen. Die Studie untersucht den Einfluss von Formmedieneigenschaften wie Sandfeinheit, Materialtyp und Auswahl der feuerfesten Beschichtung. Das Ziel des Projekts war es, Feinguss-Oberflächenveredelungen in Sandgussteilen zu erreichen.

Permeabilitäts- und Oberflächenergebnisse

Die AFS-Durchlässigkeit ist definiert als die Zeit, die ein bekanntes Luftvolumen benötigt, um eine Standardprobe bei einer Wassersäule von 10 cm zu passieren. Die AFS-Durchlässigkeit stellt einfach die Menge an offenen Räumen zwischen den Aggregatkörnern dar, die Luft passieren lässt. Die GFN eines Materials verändert die Permeabilität signifikant bis 80 GFN, wo sich der Trend abzuflachen scheint.

Die Daten zeigen, dass die gleiche Oberflächenrauhigkeit mit jeder Partikelform bei unterschiedlichen Raten erreicht werden kann. Die sphärischen und runden Kornmaterialien verbessern die Gußglätte mit einer beschleunigten Rate im Vergleich zu kantigen und subkantigen Aggregaten.

Gallium-Kontaktwinkel-Ergebnisse

Kontaktwinkelmessungen wurden durchgeführt, um die relative Benetzbarkeit der gebundenen Formaggregate mit flüssigem Metall unter Verwendung eines Flüssig-Gallium-Tests zu messen. Keramiksande hatten den höchsten Kontaktwinkel, während Zirkon und Olivin einen ähnlichen niedrigeren Kontaktwinkel hatten. Das Gallium zeigte auf allen Sandoberflächen hydrophobes Verhalten. Für alle Proben wurde ein ähnliches AFS-GFN verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kontaktwinkel für die Sandarten stark von der Aggregatkornform abhing, wie auf der sekundären Achse gezeigt, und nicht vom Grundmaterial. Die Keramiksande hatten die rundeste Form und Olivinsande zeigten eine stark kantige Form. Während die Oberflächenbenetzbarkeit des Grundzuschlags eine Rolle bei der Gussoberflächenbeschaffenheit spielen kann, war die Reichweite der Kontaktwinkelmessungen in den Testreihen der Kornform untergeordnet.

Ergebnisse der Oberflächenrauheit von Testgussteilen

Die Ergebnisse der Oberflächenrauheit wurden unter Verwendung eines Kontaktprofilometers gemessen. Es gab eine signifikante Verbesserung der Oberflächenglätte von dem 44-GFN-Kieselgel mit drei Sieben zu dem 67-GFN-Kieselgel mit vier Sieben. Änderungen über 67 GFN hinaus zeigten keine Auswirkung auf die Oberflächenrauhigkeit trotz Variation in der Verteilungsbreite. Der Schwellenwert von 185 RMS wird eingehalten.

Zwischen den 101- und 106-GFN-Materialien kann eine große Verbesserung der Glätte beobachtet werden. Der 106 GFN-Sand hat über 17 % mehr 200 Mesh-Material in der Siebverteilung. Die 115- und 118-GFN-Materialien mit zwei Sieben führten zu einer Abnahme der Glätte. Der 143 GFN-Sand führte zu ähnlichen Messwerten wie der 106 GFN-Zirkon. Der Schwellenwert beträgt 200 RMS.

Eine stetige Verbesserung der Oberflächenglätte wurde vom 49-GFN-Chromit mit vier Sieben zum 73-GFN-Chromit mit drei Sieben beobachtet, obwohl die Partikelverteilung enger wurde. Eine 19%ige Erhöhung der Retention des 140-Mesh-Siebs wurde beim 73-GFN-Chromit im Vergleich zum 49-GFN beobachtet. Eine signifikante Steigerung der Gußglätte wurde von den 73 GFN-Chromitsanden mit drei Sieben zu den 77 GFN-Chromitsanden mit vier Sieben unabhängig von ihren ähnlichen Kornfeinheitszahlen gezeigt. Zwischen den Chromitmaterialien 77 GFN und 99 GFN wurde keine Änderung der Glätte beobachtet. Interessanterweise teilten die beiden Sande eine sehr ähnliche Retention in dem 200-Mesh-Sieb. Der Schwellwert liegt bei 250 RMS.

Vom 78 GFN Olivin zum 84 GFN Olivin ist trotz der engeren Verteilung eine deutliche Verbesserung der Gussglätte zu verzeichnen. Eine Zunahme von 15 % Retention im 140-Mesh-Sieb war im 84 GFN-Olivin sichtbar. Zwischen dem Olivin mit 84 und 85 GFN besteht eine Signifikanz. Das 85 GFN Olivin verbesserte die Glätte um 50. Das 85 GFN Olivin ist ein Drei-Sieb-Sand mit fast 10 % Retention im 200-Mesh-Sieb, während das 84 GFN Olivin einfach ein Zwei-Sieb-Material ist. Vom Olivin mit 85 GFN zum Olivin mit 98 GFN kann eine stetige Verbesserung der Glätte beobachtet werden. Die Siebverteilung zeigt eine Zunahme von 5 % Retention im 200-Mesh-Sieb. Trotz einer Zunahme der 200-Mesh-Retention von fast 7 % wurde keine Änderung von 98 GFN zu 114 GFN Olivin festgestellt.

Es ist ein Schwellenwert von 244 RMS zu beobachten.

Die Oberflächenrauheitsergebnisse für die aus Keramikkernen erhaltenen Gussteile zeigen eine leichte Verbesserung zwischen den 32 GFN- und 41 GFN-Materialien. Es gab eine Erhöhung der Retention des 70-Mesh-Siebs um 34 % in dem 41-GFN-Sand. Zwischen den Keramiken 41 GFN und 54 GFN wurde eine signifikante Erhöhung der Glätte beobachtet. Das 54-GFN-Material wies im Vergleich zum 41-GFN-Material eine um über 19 % größere Retention im 100-Mesh-Sieb auf. Diese Verbesserung trat trotz der Verteilungsverengung im 54-GFN-Material auf. Die größten Auswirkungen auf die Keramikergebnisse wurden zwischen den 54 GFN- und 68 GFN-Sanden beobachtet. Der 68 GFN-Sand hatte eine 15 % höhere Retention in dem 140-Mesh-Sieb, was die Verteilung verbreiterte. Trotz einer Zunahme von über 40 % Retention im 140-Mesh-Sieb wurde zwischen den 68-GFN- und 92-GFN-Materialien nur eine geringe Verbesserung beobachtet. Der Schwellwert liegt bei 236 RMS.

Die durch die 3-D-gedruckten Sande erzeugten Oberflächen sind deutlich rauer als eine gestampfte Sandoberfläche unter Verwendung des gleichen Zuschlags. Die in der XY-Ausrichtung gedruckten Proben lieferten die glatteste Testgussoberfläche, während diejenigen, die in der XZ- und YZ-Ausrichtung gedruckt wurden, die rauesten Ergebnisse lieferten.

Der unbeschichtete 83 GFN-Quarzsand aus gestampfter Kieselsäure ergab einen Rauhigkeitswert von 185 RMS. Obwohl die Gussstücke glatter erschienen, erhöhten die feuerfesten Beschichtungen die Oberflächenrauhigkeit, gemessen mit dem Profilometer. Die auf Alkohol basierende Aluminiumoxidbeschichtung zeigte die beste Leistung, während die auf Alkohol basierende Zirkonbeschichtung zu der höchsten Rauheit führte. Die 83 3D-gedruckten GFN-Proben zeigten den gegenteiligen Effekt. Während die unbeschichtete Probe in der günstigsten Ausrichtung XY druckte, zeigte die unbeschichtete Probe eine Gussrauhigkeit von 943 RMS. Die Beschichtungen glätteten die Oberfläche im Wesentlichen von der unbeschichteten Oberflächenbeschaffenheit von einem Tiefstwert von 339 bis zu einem Höchstwert von 488 RMS. Es scheint, dass die Oberflächenbeschaffenheit der beschichteten Sande etwas unabhängig von der Rauhigkeit des Substratsandes ist und stark von der Formulierung der feuerfesten Beschichtung abhängt. 3D-gedruckter Sand kann, obwohl er mit einer viel raueren Oberflächenbeschaffenheit beginnt, durch die Verwendung von feuerfesten Beschichtungen erheblich verbessert werden.

Schlussfolgerungen

Gegenwärtig verfügbare Formaggregate sind in der Lage, Oberflächenrauheitswerte von weniger als 200 RMS Mikrozoll zu erreichen. Diese Werte liegen leicht innerhalb der Werte, die mit Feinguss verbunden sind. Bei den getesteten Materialien zeigte jedes eine Abnahme der Gussrauhigkeit mit zunehmender AFS-Kornfeinheit des Aggregats. Dies galt für alle Materialien bis zu einem Schwellenwert, bei dem mit zunehmendem AFS-GFN keine weitere Abnahme der Gussrauhigkeit zu sehen war. Dies wurde durch zuvor durchgeführte Untersuchungen unterstützt.

In allen Materialgruppen war die Wirkung von AFS-GFN sekundär sowohl zur berechneten Oberfläche als auch zur Durchlässigkeit der Aggregate. Während man sich vorstellen kann, dass die Durchlässigkeit die offenen Bereiche des verdichteten Sandes beschreibt, beschreibt der Oberflächenbereich besser die Siebverteilung des Sandes und die entsprechende Menge an feinen Partikeln. Sowohl die Durchlässigkeit als auch die Oberfläche standen in direktem Zusammenhang mit der Glätte der Gussoberfläche. Es sei darauf hingewiesen, dass dies für Aggregate innerhalb einer Formgruppe galt. Obwohl kantige und subkantige Aggregate große Oberflächenbereiche aufwiesen, war ihre Permeabilität hoch und deutete auf eine offene Oberfläche hin. Sphärische und abgerundete Aggregate zeigten die glattesten Oberflächen, die eine geringe Permeabilität mit einem großen Oberflächenbereich kombinierten.

Es wurde ursprünglich angenommen, dass die Oberflächenbenetzbarkeit, gemessen durch den Kontaktwinkel zwischen flüssigem Metall und dem gebundenen Aggregat, ein kritischer Faktor für die resultierende Gussoberflächenbeschaffenheit sei. Während gezeigt wurde, dass der Kontaktwinkel auf verschiedenen Materialien bei ähnlichem AFS-GFN nicht proportional zur Gussrauhigkeit war, wurde bestätigt, dass die Kornform ein Hauptfaktor war. Das Fehlen einer Beziehung zwischen Kontaktwinkel und Oberflächenrauheit des Gussstücks könnte durch die Tatsache erklärt werden, dass die Kornform als ein Haupteinfluss auf die Oberflächenrauheit angesehen wurde. Es besteht eine signifikante Möglichkeit, dass der Kontaktwinkel verschiedener Materialien mehr durch die Kornform und die daraus resultierende Oberflächenglätte als durch die Benetzbarkeit des Materials allein beeinflusst wurde.

Wie bei allen Messgeräten können Artefakte der Testmethode die Ergebnisse bis zu einem gewissen Grad beeinflussen. Die Zunahme der Gussstückrauhigkeit, obwohl die Gussstücke durch das Aufbringen der feuerfesten Beschichtung optisch glatter aussahen, kann auf die Form der durch die Beschichtungen erzeugten Spitzen und Täler zurückzuführen sein. Per Definition und Messung erhöhten die feuerfesten Beschichtungen nur die Oberflächenrauhigkeit gegenüber nicht beschichteten Proben. Alle feuerfesten Beschichtungen waren sehr erfolgreich bei der Verbesserung der Oberflächenrauheit der 3-D-gedruckten Sande. Es schien, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Testgussteile von beschichteten Proben etwas unabhängig von dem Ausgangssubstratsand war. Die Beschichtungen hatten einen großen Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit, aber es sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Beschichtungen zu überarbeiten, um die Gussoberflächen zu verbessern.

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