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鋳物の表面仕上げに影響を与える重要な特性
2022-10-13
砂型鋳造の寸法精度は、インベストメント鋳造の精度に近づきました。 3D サンド プリント技術は、金型と中子の寸法精度を大幅に向上させましたが、インベストメント キャスティングは言うまでもなく、従来のサンド キャスティングの表面の滑らかさに匹敵するものではありませんでした。
インベストメント鋳造は、優れた形状分解能と寸法精度を備えた非常に滑らかな部品を提供します。 3D プリントされた砂型と中子は、プロセスが寸法と表面の両方の要件を満たすことができる場合、インベストメント キャスティングに代わる費用対効果の高い代替手段となる可能性があります。
ファウンドリーの消耗品の分野で多くの変更と改善が行われましたが、砂はある程度一定に保たれている材料の 1 つです。採掘と洗浄の後、必要に応じて、鋳物砂は個別または 2 メッシュのグループに分類され、保管されます。それらは、ファウンドリの顧客に出荷するために正規分布に結合されます。鉱山分布は様々ですが、AFS粒度が似たような分布の砂が供給されています。表面仕上げは、鋳造品質仕様の不可欠な部分です。鋳造品の内部表面仕上げが粗い場合、流体と高速ガスの両方の効率が低下する可能性があります。これは、ターボチャージャーとインテークマニホールドのコンポーネントに当てはまります。北アイオワ大学は、鋳物の表面平滑性に影響を与える金型材料の特性を調査しています。この研究はアルミニウム鋳物で行われましたが、浸透や溶融砂欠陥などの欠陥を示さない鉄合金に適用され、関連性があります。この研究では、砂の細かさ、材料の種類、耐火コーティングの選択など、成形媒体の特性の影響を調査しています。このプロジェクトの目標は、砂型鋳造部品のインベストメント鋳造表面仕上げを達成することでした。
透過性と表面積の結果
AFS 透過性は、既知の体積の空気が水頭 10 cm の標準サンプルを通過するのにかかる時間として定義されます。簡単に言えば、AFS透過性は、空気が通過できる骨材粒子間のオープンスペースの量を表します.材料の GFN は、80 GFN まで透過性を大幅に変化させ、傾向が横ばいになるように見えます。
データは、同じ表面粗さが異なる速度で任意の粒子形状で達成できることを示しています。球状および円形の粒子材料は、角状および亜角状の骨材と比較して加速された速度で鋳造の滑らかさを改善します。
ガリウム接触角の結果
接触角測定は、液体ガリウム試験を使用して液体金属と結合成形骨材の相対的湿潤性を測定するために実施されました。セラミック砂は接触角が最も高く、ジルコンとカンラン石は同様に低い接触角を共有していました。ガリウムは、すべての砂の表面で疎水性の挙動を示しました。同様の AFS-GFN がすべてのサンプルに使用されました。結果は、砂の種類の接触角が、母材ではなく、二次軸に示されている骨材の粒子形状に大きく依存していることを示しています。セラミックサンドは最も丸みを帯びた形状をしており、かんらん石サンドは非常に角張った形状を示しました。ベース骨材の表面湿潤性は鋳造表面仕上げに役割を果たす可能性がありますが、一連のテストでの接触角測定の範囲は粒子形状に従属していました。
テスト鋳造の表面粗さの結果
表面粗さの結果は、接触プロフィルメーターを使用して測定されました。 3 スクリーン 44 GFN シリカから 4 スクリーン 67 GFN シリカまで、表面の平滑性が大幅に改善されました。 67 GFN を超える変化は、分布幅の変動にもかかわらず、表面粗さへの影響を示しませんでした。 185 RMS のしきい値が観察されます。
101 と 106 の GFN 材料の間で、滑らかさの大幅な改善が見られます。 106 GFN サンドには、スクリーン分布に 17% 以上の 200 メッシュ素材が含まれています。 2 スクリーンの 115 および 118 GFN 材料では、滑らかさが低下しました。 143 GFN サンドは、106 GFN ジルコンと同様の測定結果をもたらしました。しきい値は 200 RMS です。
4 スクリーン 49 GFN クロマイトから 3 スクリーン 73 GFN クロマイトへと、粒子分布が狭くなるにもかかわらず、表面平滑性の着実な改善が観察されました。 49 GFN と比較して、73 GFN クロマイトでは 140 メッシュ スクリーンの保持が 19% 増加しました。 3 スクリーンの 73 GFN から 4 スクリーンの 77 GFN クロマイト砂へと、粒子の細かさの数値が類似しているにもかかわらず、鋳造の滑らかさが大幅に向上することが示されました。 77 GFN と 99 GFN クロマイト材料の間で滑らかさの変化は観察されませんでした。興味深いことに、2 つの砂は 200 メッシュのスクリーンで非常によく似た保持力を共有していました。しきい値は 250 RMS です。
78 GFN カンラン石から 84 GFN かんらん石まで、分布が狭いにもかかわらず、キャストの滑らかさが大幅に改善されています。 84 GFN カンラン石では、140 メッシュのスクリーンで 15% の保持の増加が見られました。 84 と 85 の GFN かんらん石の間に重要性があります。 85 GFN カンラン石は、滑らかさを 50 向上させました。85 GFN カンラン石は、200 メッシュのスクリーンでほぼ 10% の保持力を持つ 3 スクリーンの砂ですが、84 GFN カンラン石は単純な 2 スクリーンの素材です。 85 GFN オリビンから 98 GFN カンラン石まで滑らかさの着実な改善が見られます。スクリーン分布は、200 メッシュのスクリーンで 5% の保持率の増加を示しています。 98 GFN から 114 GFN カンラン石まで変化は見られませんでしたが、200 メッシュの保持率は 7% 近く増加しました。
244 RMS のしきい値を確認できます。
セラミック コアから得られた鋳造品の表面粗さの結果は、32 GFN 材料と 41 GFN 材料の間でわずかな改善を示しています。 41 GFN 砂では、70 メッシュ スクリーンの保持力が 34% 増加しました。 41 GFN セラミックと 54 GFN セラミックの間で、滑らかさの有意な増加が観察されました。 54 GFN 素材は、41 GFN 素材と比較して、100 メッシュのスクリーンで 19% 以上の保持力がありました。この改善は、54 GFN 材料の分布が狭くなったにもかかわらず発生しました。セラミックの結果で最大の影響が見られたのは、54 GFN 砂と 68 GFN 砂の間でした。 68 GFN 砂は、140 メッシュのスクリーンで 15% 高い保持力を示し、分布を広げました。 140 メッシュのスクリーンでは 40% を超える保持率の増加にもかかわらず、68 GFN 材料と 92 GFN 材料の間ではほとんど改善が見られませんでした。しきい値は 236 RMS です。
3D プリントされた砂によって生成された表面は、同じ骨材を使用して打ち込まれた砂の表面よりもかなり粗いです。 XY 方向に印刷されたサンプルは最も滑らかなテスト キャスティング表面を提供しましたが、XZ および YZ 方向に印刷されたサンプルは最も粗い結果になりました。
打ち込まれたシリカでコーティングされていない 83 GFN ケイ砂は、185 RMS の粗さ値をもたらしました。鋳物はより滑らかに見えましたが、プロフィロメーターで測定すると、耐火コーティングにより表面粗さが増加しました。アルコールベースのアルミナコーティングは最高の性能を示し、アルコールベースのジルコンコーティングは最高の粗さをもたらしました。 83個のGFN 3Dプリントサンプルは、逆の効果を示しました。コーティングされていないサンプルは XY の最も好ましい方向で印刷されましたが、コーティングされていないサンプルは 943 RMS の鋳造粗さを示しました。コーティングは、339 RMS の最低値から 488 RMS の最高値まで、コーティングされていない表面仕上げから実質的に表面を滑らかにしました。コーティングされた砂の表面仕上げは、基材の砂の粗さとは多少無関係であり、耐火コーティングの配合に大きく依存しているようです。 3D プリントされた砂は、はるかに粗い表面仕上げから始めますが、耐火コーティングを使用することで大幅に改善できます。
結論
現在入手可能な成形骨材には、200 RMS マイクロインチ未満の表面粗さ値を達成する能力があります。これらの値は、インベストメント キャスティングに関連する値の範囲内にわずかに収まっています。試験した材料では、骨材の AFS 粒子の細かさが増加するにつれて、それぞれが鋳造粗さの減少を示しました。これは、AFS-GFN の増加に伴って鋳造粗さのさらなる減少が見られなかったしきい値まで、すべての材料に当てはまりました。これは、以前に実施された研究によってサポートされていました。
すべての材料グループ内で、AFS-GFN の効果は、計算された表面積と骨材の透過性の両方に次ぐものでした。浸透率は圧縮された砂の開いた領域を表すと考えられますが、表面積は砂のスクリーン分布と対応する微粒子の量をよりよく表します。浸透率と表面積の両方が、鋳造表面の滑らかさに直接関係していました。これは、形状グループ内の集約にも当てはまることに注意してください。角度のある骨材と亜角度の骨材は高い表面積を持っていましたが、それらの浸透性は高く、開いた表面を示していました。球状および丸みを帯びた骨材は、低い透過性と高い表面積を兼ね備えた最も滑らかな表面を示しました。
液体金属と結合骨材との間の接触角によって測定される表面湿潤性は、得られる鋳造表面仕上げの重要な要素であると当初は考えられていました。同様のAFS-GFNでのさまざまな材料の接触角は鋳造粗さに比例しないことが示されましたが、粒子形状が主要な要因であることが確認されました。接触角と鋳物の表面粗さとの間に関係がないことは、結晶粒の形状が表面粗さの主な影響として見られたという事実によって説明されるかもしれません。さまざまな材料の接触角は、材料の単独の濡れ性よりも、粒子の形状と結果として生じる表面の滑らかさの影響を大きく受けた可能性が非常に高いです。
インベストメント鋳造は、優れた形状分解能と寸法精度を備えた非常に滑らかな部品を提供します。 3D プリントされた砂型と中子は、プロセスが寸法と表面の両方の要件を満たすことができる場合、インベストメント キャスティングに代わる費用対効果の高い代替手段となる可能性があります。
ファウンドリーの消耗品の分野で多くの変更と改善が行われましたが、砂はある程度一定に保たれている材料の 1 つです。採掘と洗浄の後、必要に応じて、鋳物砂は個別または 2 メッシュのグループに分類され、保管されます。それらは、ファウンドリの顧客に出荷するために正規分布に結合されます。鉱山分布は様々ですが、AFS粒度が似たような分布の砂が供給されています。表面仕上げは、鋳造品質仕様の不可欠な部分です。鋳造品の内部表面仕上げが粗い場合、流体と高速ガスの両方の効率が低下する可能性があります。これは、ターボチャージャーとインテークマニホールドのコンポーネントに当てはまります。北アイオワ大学は、鋳物の表面平滑性に影響を与える金型材料の特性を調査しています。この研究はアルミニウム鋳物で行われましたが、浸透や溶融砂欠陥などの欠陥を示さない鉄合金に適用され、関連性があります。この研究では、砂の細かさ、材料の種類、耐火コーティングの選択など、成形媒体の特性の影響を調査しています。このプロジェクトの目標は、砂型鋳造部品のインベストメント鋳造表面仕上げを達成することでした。
透過性と表面積の結果
AFS 透過性は、既知の体積の空気が水頭 10 cm の標準サンプルを通過するのにかかる時間として定義されます。簡単に言えば、AFS透過性は、空気が通過できる骨材粒子間のオープンスペースの量を表します.材料の GFN は、80 GFN まで透過性を大幅に変化させ、傾向が横ばいになるように見えます。
データは、同じ表面粗さが異なる速度で任意の粒子形状で達成できることを示しています。球状および円形の粒子材料は、角状および亜角状の骨材と比較して加速された速度で鋳造の滑らかさを改善します。
ガリウム接触角の結果
接触角測定は、液体ガリウム試験を使用して液体金属と結合成形骨材の相対的湿潤性を測定するために実施されました。セラミック砂は接触角が最も高く、ジルコンとカンラン石は同様に低い接触角を共有していました。ガリウムは、すべての砂の表面で疎水性の挙動を示しました。同様の AFS-GFN がすべてのサンプルに使用されました。結果は、砂の種類の接触角が、母材ではなく、二次軸に示されている骨材の粒子形状に大きく依存していることを示しています。セラミックサンドは最も丸みを帯びた形状をしており、かんらん石サンドは非常に角張った形状を示しました。ベース骨材の表面湿潤性は鋳造表面仕上げに役割を果たす可能性がありますが、一連のテストでの接触角測定の範囲は粒子形状に従属していました。
テスト鋳造の表面粗さの結果
表面粗さの結果は、接触プロフィルメーターを使用して測定されました。 3 スクリーン 44 GFN シリカから 4 スクリーン 67 GFN シリカまで、表面の平滑性が大幅に改善されました。 67 GFN を超える変化は、分布幅の変動にもかかわらず、表面粗さへの影響を示しませんでした。 185 RMS のしきい値が観察されます。
101 と 106 の GFN 材料の間で、滑らかさの大幅な改善が見られます。 106 GFN サンドには、スクリーン分布に 17% 以上の 200 メッシュ素材が含まれています。 2 スクリーンの 115 および 118 GFN 材料では、滑らかさが低下しました。 143 GFN サンドは、106 GFN ジルコンと同様の測定結果をもたらしました。しきい値は 200 RMS です。
4 スクリーン 49 GFN クロマイトから 3 スクリーン 73 GFN クロマイトへと、粒子分布が狭くなるにもかかわらず、表面平滑性の着実な改善が観察されました。 49 GFN と比較して、73 GFN クロマイトでは 140 メッシュ スクリーンの保持が 19% 増加しました。 3 スクリーンの 73 GFN から 4 スクリーンの 77 GFN クロマイト砂へと、粒子の細かさの数値が類似しているにもかかわらず、鋳造の滑らかさが大幅に向上することが示されました。 77 GFN と 99 GFN クロマイト材料の間で滑らかさの変化は観察されませんでした。興味深いことに、2 つの砂は 200 メッシュのスクリーンで非常によく似た保持力を共有していました。しきい値は 250 RMS です。
78 GFN カンラン石から 84 GFN かんらん石まで、分布が狭いにもかかわらず、キャストの滑らかさが大幅に改善されています。 84 GFN カンラン石では、140 メッシュのスクリーンで 15% の保持の増加が見られました。 84 と 85 の GFN かんらん石の間に重要性があります。 85 GFN カンラン石は、滑らかさを 50 向上させました。85 GFN カンラン石は、200 メッシュのスクリーンでほぼ 10% の保持力を持つ 3 スクリーンの砂ですが、84 GFN カンラン石は単純な 2 スクリーンの素材です。 85 GFN オリビンから 98 GFN カンラン石まで滑らかさの着実な改善が見られます。スクリーン分布は、200 メッシュのスクリーンで 5% の保持率の増加を示しています。 98 GFN から 114 GFN カンラン石まで変化は見られませんでしたが、200 メッシュの保持率は 7% 近く増加しました。
244 RMS のしきい値を確認できます。
セラミック コアから得られた鋳造品の表面粗さの結果は、32 GFN 材料と 41 GFN 材料の間でわずかな改善を示しています。 41 GFN 砂では、70 メッシュ スクリーンの保持力が 34% 増加しました。 41 GFN セラミックと 54 GFN セラミックの間で、滑らかさの有意な増加が観察されました。 54 GFN 素材は、41 GFN 素材と比較して、100 メッシュのスクリーンで 19% 以上の保持力がありました。この改善は、54 GFN 材料の分布が狭くなったにもかかわらず発生しました。セラミックの結果で最大の影響が見られたのは、54 GFN 砂と 68 GFN 砂の間でした。 68 GFN 砂は、140 メッシュのスクリーンで 15% 高い保持力を示し、分布を広げました。 140 メッシュのスクリーンでは 40% を超える保持率の増加にもかかわらず、68 GFN 材料と 92 GFN 材料の間ではほとんど改善が見られませんでした。しきい値は 236 RMS です。
3D プリントされた砂によって生成された表面は、同じ骨材を使用して打ち込まれた砂の表面よりもかなり粗いです。 XY 方向に印刷されたサンプルは最も滑らかなテスト キャスティング表面を提供しましたが、XZ および YZ 方向に印刷されたサンプルは最も粗い結果になりました。
打ち込まれたシリカでコーティングされていない 83 GFN ケイ砂は、185 RMS の粗さ値をもたらしました。鋳物はより滑らかに見えましたが、プロフィロメーターで測定すると、耐火コーティングにより表面粗さが増加しました。アルコールベースのアルミナコーティングは最高の性能を示し、アルコールベースのジルコンコーティングは最高の粗さをもたらしました。 83個のGFN 3Dプリントサンプルは、逆の効果を示しました。コーティングされていないサンプルは XY の最も好ましい方向で印刷されましたが、コーティングされていないサンプルは 943 RMS の鋳造粗さを示しました。コーティングは、339 RMS の最低値から 488 RMS の最高値まで、コーティングされていない表面仕上げから実質的に表面を滑らかにしました。コーティングされた砂の表面仕上げは、基材の砂の粗さとは多少無関係であり、耐火コーティングの配合に大きく依存しているようです。 3D プリントされた砂は、はるかに粗い表面仕上げから始めますが、耐火コーティングを使用することで大幅に改善できます。
結論
現在入手可能な成形骨材には、200 RMS マイクロインチ未満の表面粗さ値を達成する能力があります。これらの値は、インベストメント キャスティングに関連する値の範囲内にわずかに収まっています。試験した材料では、骨材の AFS 粒子の細かさが増加するにつれて、それぞれが鋳造粗さの減少を示しました。これは、AFS-GFN の増加に伴って鋳造粗さのさらなる減少が見られなかったしきい値まで、すべての材料に当てはまりました。これは、以前に実施された研究によってサポートされていました。
すべての材料グループ内で、AFS-GFN の効果は、計算された表面積と骨材の透過性の両方に次ぐものでした。浸透率は圧縮された砂の開いた領域を表すと考えられますが、表面積は砂のスクリーン分布と対応する微粒子の量をよりよく表します。浸透率と表面積の両方が、鋳造表面の滑らかさに直接関係していました。これは、形状グループ内の集約にも当てはまることに注意してください。角度のある骨材と亜角度の骨材は高い表面積を持っていましたが、それらの浸透性は高く、開いた表面を示していました。球状および丸みを帯びた骨材は、低い透過性と高い表面積を兼ね備えた最も滑らかな表面を示しました。
液体金属と結合骨材との間の接触角によって測定される表面湿潤性は、得られる鋳造表面仕上げの重要な要素であると当初は考えられていました。同様のAFS-GFNでのさまざまな材料の接触角は鋳造粗さに比例しないことが示されましたが、粒子形状が主要な要因であることが確認されました。接触角と鋳物の表面粗さとの間に関係がないことは、結晶粒の形状が表面粗さの主な影響として見られたという事実によって説明されるかもしれません。さまざまな材料の接触角は、材料の単独の濡れ性よりも、粒子の形状と結果として生じる表面の滑らかさの影響を大きく受けた可能性が非常に高いです。
すべての測定機器と同様に、テスト方法のアーティファクトが結果にある程度影響を与える可能性があります。キャスティングの粗さの増加は、視覚的にはキャスティングが耐火コーティングの適用により滑らかに見えましたが、コーティングで作成された山と谷の形状が原因である可能性があります。定義と測定により、耐火コーティングは、コーティングされていないサンプルよりも表面粗さを増加させるだけでした。すべての耐火コーティングは、3D プリントされた砂の表面粗さを改善することに非常に成功しました。コーティングされたサンプルからのテスト キャスティングの表面仕上げは、出発地の砂とは多少無関係であることがわかりました。コーティングは表面仕上げに大きな影響を与えましたが、コーティングを修正して鋳造仕上げを改善するには、さらなる作業が必要です。
Ningbo Zhiye Mechanical Components Co.、Ltd.のSantos Wangによって編集されました。
https://www.zhiyecasting.com
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86-18958238181
