Противопригарные покрытия для форм и стержней, изготовленных по аддитивным технологиям

*На фотографии статуэтка девушки, выполненная с помощью 3Д печати фурановыми связующими компании Уралхимпласт – Хюттенес Альбертус.

В литейной промышленности аддитивные технологии позволяют производить прототипы и небольшие партии, не требующие высоких затрат на оснащение и хранение. Формы и стержни предпочтительно создаются с использованием струйного процесса введения связующего. Однако напечатанные песчаные стержни имеют особые свойства, обусловленные процессом их получения. Это означает, что требуются продукты, специально адаптированные к процессу. Печатные стержни и формы обычно используют не только для литья стали и серого чугуна, но и в алюминиевом литье. Из-за специфичной структуры поверхности, а также сложности геометрии печатных стержней требуются покрытия с особыми свойствами. В то же время сами покрытия должны быть высокоэффективными против дефектов литья, таких как пригар или просечки. Важную роль играют факторы, зависящие от оси печати и прочности скрепления слоев песка, а также поверхностные структуры покрытых и впоследствии связанных смолой формовочных материалов. Зависящие от оси печати различия в прочности приводят, среди прочего, к повышенной возможности образования просечек. Используя классические доступные покрытия, образование просечек может быть снижено, но часто их образование не удается полностью избежать. Для того, чтобы найти подходящие решения, свойства покрытия должны быть специально адаптированы к специфическим свойствам форм и стержней, изготовленных по аддитивным технологиям.

Ниже приведены различные примеры, демонстрирующие эффективность инновационных покрытий Arkopal RP, разработанных Хюттенес-Альбертус, чтобы избежать дефектов литья, таких как просечки, при литье с использованием стержней, изготовленных по аддитивным технологиям.

Что такое аддитивные технологии или 3D-печать?

В области аддитивного производства используются различные процессы. Одним из таких способов является процесс струйной печати связующими. При данном процессе производства стержни или формы изготавливают с использованием однокомпонентной или двухкомпонентной связующей системы и песка. В случае двухкомпонентной связующей системы песок сначала покрывают отвердителем в смесителе. Затем наносится 4-8 слоев песка на дно формовочного короба. При использовании однокомпонентной системы на данном этапе процесса используется непокрытый песок.

Далее печатающая головка выборочно печатает первый слой связующего на активированном или непокрытом песке. В однокомпонентной системе для ускорения процесса отверждения дополнительно используется нагревательная лампа. Потом основание рабочего стола опускается на один уровень и наносится следующий слой. После завершения нанесения слоя процесс начинается снова и повторяется до тех пор, пока не будет полностью напечатан стержень или форма. После завершения процесса печати несвязанный песок удаляют из рабочего стола с использованием промышленного пылесоса, щеток и сжатого воздуха. Затем стержень или форму извлекают из рабочего стола и, если необходимо, подвергают последующему упрочнению до тех пор, пока не будет достигнута окончательная прочность. В зависимости от используемой системы связующих удаленный песок может быть использован повторно.

Противопригарное покрытие Arkopal RP (Быстрое прототипирование): Разработка продукта и исследования

Центр компетенции Хюттенес-Альбертус в ходе разработки специальных покрытий для 3D печати тщательно изучил роль покрытий в печатных стержнях и то, как соответствовать особым требованиям процесса 3D печати.

На первом этапе покрытия для форм и стержней, изготовленных по аддитивным технологиям, были протестированы на чугунном и стальном литье. Для этой цели использовались тестовые формы, разработанные для демонстрации образования просечек (см. Рисунок 1), чтобы иметь возможность лучшего сравнения дефектных образцов после заливки.

Для дополнительного изучения воздействия направления печати каждый стержень печатался в двух различных направлениях: вертикальном и горизонтальном (см. Рисунок 1).

Рисунок 1.

Слева: форма со стержнями

Середина: напечатанный в вертикальном направлении стержень (S стержень)

Справа: напечатанный в горизонтальном направлении стержень (L стержень)

В первом контрольном испытании производилась чугунная отливка с температурой заливки приблизительно 1430°С. Образцы стержней были изготовлены в соответствии со спецификациями Хюттенес-Альбертус (диаметр 50 мм). Средний размер зерна используемого песка составлял 0,14 мм (песок GS 14), а потери при прокаливании – 1,43% с использованием фенолсодержащего связующего в качестве однокомпонентной системы. Величина прочности, достигнутая в направлении X, составляла 520 Н/см2, в направлении Y 430 Н/см2 и в направлении Z 190 Н/см2. После остывания чугунной отливки ее разрезали пополам и очистили от прилипших остатков песка сжатым воздухом. На следующих рисунках показаны сечения половины отливок с поверхностями, сформированными стержнем.

Факторы влияния: плотность упаковки и направление печати

В ходе испытаний было обнаружено, что неокрашенные покрытием стержни не имели дефектов после отливки, таких как просечки (см. Рисунок 2, слева). В обычном процессе настрела стержней просечки вызваны высокой плотностью упаковки песчаных зерен в сочетании с другими параметрами. В процессе литья происходит фазовый переход от альфа- к бета-кварцу, и песчаным зернам требуется пространство для расширения.

С другой стороны, у напечатанных стержней плотность не так высока, как у настрелянных стержней, так как песок наносится слоями. От направления печати зависит как плотность упаковки, так и результирующие прочности после процесса связывания. Однако при использовании неокрашенных стержней литые поверхности являются очень шероховатыми из-за структуры песка (см. Рисунок 2, слева).

Исследование показало, что образование просечек зависит, с одной стороны, от геометрии стержня, а с другой стороны, от направления печати (см. Рисунок 2, середина).

Рисунок 2.

Слева: шероховатая литая поверхность, образованная неокрашенной поверхностью стержня.

Середина: литые поверхности, каждая из которых имеет специально сформированное направление просечек

Справа: гладкая поверхность, без дефектов литья, достигаемых с покрытием Arkopal RP 200 (толщина слоя = 200 мкм).

Другие влияющие факторы: способ нанесения и толщина слоя

В дальнейших экспериментах было установлено, что главную роль в подавлении тенденции образования просечек играют несколько факторов: направление печати, геометрия стержня, способ нанесения покрытия, а также его состав и толщина слоя.

Результаты испытаний показывают, что дефект на отливке значительно менее выражен при нанесении кистью по сравнению с окунанием (см. Рисунок 3). Предполагается, что одной из причин этого является проникновение покрытия в стержень. В целом, доказано, что более высокая толщина слоя обеспечивает лучшую поверхность отливки при одинаковом способе нанесения.

На Рисунке 3 показана левая поверхность отливки после нанесения покрытия кистью (толщина слоя = 200 мкм).

Средняя и правая: поверхность отливки после нанесения покрытия окунанием (толщина слоя средняя = 200 мкм, правая = 300 мкм); Обычное циркониевое покрытие на водной основе:

И рисунок 4:

Рисунок 4.

Слева: поверхность литья (неокрашенный стержень).

Справа: поверхность литья (окрашенный стержень, 800 мкм).

Рисунок 5.

Слева: литейная поверхность S стержень (окрашенный стержень, толщина слоя = 300 мкм).

Средняя и правая: литейная поверхность L стержень (после очистки, толщина слоя середина = 300 мкм, правая = 800 мкм) обычное покрытие на водной основе.

Рисунок 6.

Слева: Литая поверхность L стержня, покрытая Arkopal RP E (толщина слоя = 300 мкм).

Середина: Литейная поверхность L стержня, покрытая Arkopal RP G (толщина слоя 300 мкм).

Справа: S стержень, также покрытый Arkopal RP G (толщина слоя 300 мкм).

Применение в стальном литье

При стальном литье требования к покрытиям аналогичны требованиям при литье чугуна, но необходима еще более высокая термостойкость. Сталь обычно заливают при температуре металла между 1480 и 1750°C. В экспериментах вновь использовались специальные тестовые формы, разработанные для демонстрации образования просечек (см. Рисунок 1, слева) и цилиндрические стержни. Песчаная смесь была также GS 14, но использовалась двухкомпонентная система фуранового связующего.

Испытываемую форму заливали металлом при температуре приблизительно 1480°С. Результаты показывают, что в случае неокрашенных стержней имеется лишь небольшая тенденция к образованию просечек в сочетании с адгезией песка (см. Рисунок 4). Шероховатость поверхности неокрашенных стержней составляла приблизительно Ra=10 мкм.  В случае окрашенных стержней шероховатость поверхности Ra составляла от 3 до 5 мкм – в зависимости от соответствующего состава покрытия и толщины слоя, достигаемой во время нанесения.

Принимая во внимание результаты испытаний, можно также увидеть, что как на стальном литье, так и на чугунном литье основную роль в возникновении дефектов отливок играют направление печати и толщина слоя покрытия. Также, в тестах, проведенных в Центре компетенции Хюттенес-Альбертус, было обнаружено больше просечек на стержнях напечатанных вертикально (S стержнях), чем на горизонтально напечатанных стержнях (L стержни).

Кроме того, более высокая толщина слоя, позволяет получить значительно более гладкую поверхность (Ra 3-4 мкм) без дефектов. В принципе, использование идеально подобранного покрытия в значительной степени сводит к минимуму, как образование просечек, так и пригара.

Применение в алюминиевом литье

Исследование включало лишь небольшое количество испытаний с напечатанными стержнями в алюминиевом литье. Было замечено, что ситуация с литьем алюминия существенно отличается из-за более низких температур литья 660-750°С, при которых образования просечек не происходит. Как правило, изготавливаемые стержни для алюминиевых деталей часто вообще не окрашивают. Благодаря гладкой поверхности стержней здесь достигаются приемлемые поверхности литья даже без гладкого защитного слоя покрытия.

Однако стержни, изготовленные с использованием процесса 3D печати, имеют значительно более шероховатые поверхности и неровности слоев из-за процесса печати. Соответственно, после получения отливки ее поверхность также является шероховатой. Поэтому для того, чтобы получить гладкую поверхность отливки, желательно окрашивать стержни или формы перед заливкой. Образование пригара можно также избежать путем нанесения покрытия.

Заключение

Использование различных покрытий для стержней и форм, изготовленных по аддитивным технологиям, выявило значительные различия в результатах литья. Благодаря прочностям, зависящим от оси печати, неокрашенные стержни показывают положительные результаты в предотвращении дефектов литья, таких как просечки. Однако использование покрытий, специально разработанных для 3D печати, может предотвратить образование грубых поверхностей литья и пригара.

Исследование, проведенное в Хюттенес-Альбертус, показало, что несколько факторов в процессе 3D печати оказывают влияние на характеристики дефектов отливки. Геометрия стержней и направление печати играют важную роль при получении чугунных и стальных отливок. Согласно нашим выводам, образование просечек более ярко выражено в вертикально напечатанном стержне по сравнению с горизонтально напечатанным стержнем. Химический состав и технологические свойства являются важными критериями для выбора покрытия с точки зрения исключения дефектов литья. Способ нанесения и суммарная толщина слоя покрытия также играют роль. С помощью оптимально подобранного покрытия можно избежать дефектов отливки, таких как просечки и получить гладкие поверхности отливки.

Из-за более низких температур заливки при литье алюминия важны другие требования к покрытиям. Основное внимание здесь уделяется качеству поверхности и предотвращению прилипания песка. На качество поверхности сильно влияет напечатанный стержень. Используя специальные покрытия, можно свести к минимуму прилипание песка и получить гладкие поверхности.

Результаты, описанные выше, были учтены при разработке покрытий серии Arkopal RP (Быстрое прототипирование). Литейные предприятия, которые используют 3D печать для своих форм и стержней, могут полагаться на продукцию, специально разработанную для этого процесса. Специалисты Уралхимпласт – Хюттенес Альбертус по покрытиям с удовольствием проконсультируют вас.

Авторы:

Доктор Екатерина Потатурина, продукт-менеджер направления противопригарных покрытий, Hüttenes-Albertus.

Доктор Клаус Сигер, руководитель отдела разработки противопригарных покрытий, Hüttenes-Albertus.