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Caractéristiques critiques affectant la finition de surface des pièces moulées
2022-10-13
La précision dimensionnelle avec laquelle les pièces moulées en sable peuvent désormais être produites s'est approchée de celle des pièces moulées à la cire perdue. Les technologies d'impression au sable 3D ont considérablement amélioré la précision dimensionnelle des moules et des noyaux, mais n'ont pas réussi à égaler le lissé de surface des moulages au sable conventionnels, sans parler des moulages de précision.
Le moulage de précision fournit des pièces très lisses avec une excellente résolution des caractéristiques et une précision dimensionnelle. Les moules et noyaux en sable imprimés en 3D peuvent constituer une alternative rentable au moulage de précision si le processus peut répondre aux exigences dimensionnelles et de surface.
Bien que de nombreux changements et améliorations aient été apportés dans le domaine des consommables de fonderie, le sable est le seul matériau qui est resté relativement constant. Après l'extraction et le lavage, si nécessaire, les sables de fonderie sont classés en groupes individuels ou à deux mailles et stockés. Ils sont combinés en distributions normales pour être expédiés au client fondeur. Bien qu'il existe de nombreuses distributions minières différentes, du sable d'un numéro de finesse de grain AFS similaire est fourni dans des distributions similaires. La finition de surface fait partie intégrante des spécifications de qualité de coulée. Les finitions de surface internes rugueuses sur les pièces moulées peuvent entraîner une perte d'efficacité pour les fluides et les gaz à grande vitesse. C'est le cas des composants du turbocompresseur et du collecteur d'admission. L'Université du nord de l'Iowa a étudié les caractéristiques des matériaux de moulage qui affectent le lissé de la surface des pièces moulées. La recherche a été menée sur des pièces moulées en aluminium, mais a des applications et une pertinence dans les alliages ferreux qui ne présentent pas de défauts tels que des défauts de pénétration ou de sable fondu. L'étude examine l'influence des caractéristiques des supports de moulage telles que la finesse du sable, le type de matériau et la sélection du revêtement réfractaire. L'objectif du projet était de réaliser des finitions de surface de moulage à modèle perdu dans des pièces moulées au sable.
Résultats de perméabilité et de surface
La perméabilité AFS est définie comme le temps nécessaire à un volume d'air connu pour traverser un échantillon standard à une hauteur de 10 cm d'eau. Simplement, la perméabilité AFS représente la quantité d'espaces ouverts entre les grains d'agrégats qui permettent à l'air de passer. Le GFN d'un matériau modifie significativement la perméabilité jusqu'à 80 GFN, où la tendance semble se stabiliser.
Les données montrent que la même rugosité de surface peut être obtenue avec n'importe quelle forme de particule à des vitesses différentes. Les matériaux à grains sphériques et ronds améliorent la douceur de la coulée à un rythme accéléré par rapport aux agrégats angulaires et sous-angulaires.
Résultats de l'angle de contact du gallium
Des mesures d'angle de contact ont été effectuées pour mesurer la mouillabilité relative des agrégats de moulage liés avec du métal liquide en utilisant un test au gallium liquide. Les sables céramiques avaient l'angle de contact le plus élevé tandis que le zircon et l'olivine partageaient un angle de contact inférieur similaire. Le gallium a montré un comportement hydrophobe sur toutes les surfaces de sable. Un AFS-GFN similaire a été utilisé pour tous les échantillons. Les résultats indiquent que l'angle de contact pour les types de sable dépendait fortement de la forme du grain d'agrégat, comme indiqué sur l'axe secondaire, plutôt que du matériau de base. Les sables céramiques avaient la forme la plus ronde et les sables à olivine présentaient une forme très anguleuse. Bien que la mouillabilité de la surface de l'agrégat de base puisse jouer un rôle dans la finition de la surface de coulée, la plage de mesures d'angle de contact dans la série d'essais était subordonnée à la forme du grain.
Résultats de la rugosité de surface des pièces moulées d'essai
Les résultats de rugosité de surface ont été mesurés à l'aide d'un profilomètre de contact. Il y a eu une amélioration significative du lissé de surface de la silice 44 GFN à trois écrans à la silice 67 GFN à quatre écrans. Les changements au-delà de 67 GFN n'ont pas montré d'impact sur la rugosité de surface malgré la variation de la largeur de distribution. La valeur seuil de 185 RMS est respectée.
Une grande amélioration du lissé peut être observée entre les matériaux 101 et 106 GFN. Le sable 106 GFN a plus de 17% de matériau 200 mesh en plus dans la distribution de l'écran. Les matériaux GFN à deux écrans 115 et 118 ont entraîné une diminution du lissé. Le sable 143 GFN a donné des lectures similaires à celles du zircon 106 GFN. La valeur seuil est de 200 RMS.
Une amélioration constante du lissé de surface a été observée entre la chromite 49 GFN à quatre écrans et la chromite 73 GFN à trois écrans, malgré le rétrécissement de la distribution des particules. Une augmentation de 19 % de la rétention de l'écran de 140 mesh a été observée dans la chromite 73 GFN par rapport à la 49 GFN. Une augmentation significative du lissé de la coulée a été démontrée entre les sables de chromite 73 GFN à trois grilles et les sables de chromite 77 GFN à quatre grilles, indépendamment de leurs nombres de finesse de grain similaires. Aucun changement de lissé n'a été observé entre les matériaux de chromite 77 GFN et 99 GFN. Fait intéressant, les deux sables partageaient une rétention très similaire dans le tamis de 200 mesh. La valeur seuil est de 250 RMS.
Il y a une amélioration significative de la douceur de coulée de l'olivine 78 GFN à l'olivine 84 GFN malgré la distribution plus étroite. Une augmentation de 15 % de rétention dans le tamis de 140 mesh était visible dans l'olivine 84 GFN. Il y a une signification entre l'olivine 84 et 85 GFN. L'olivine 85 GFN a amélioré le lissé de 50. L'olivine 85 GFN est un sable à trois grilles avec près de 10 % de rétention dans la grille de 200 mesh tandis que l'olivine 84 GFN est simplement un matériau à deux grilles. Une amélioration constante de la douceur peut être observée de l'olivine 85 GFN à l'olivine 98 GFN. La distribution de l'écran montre une augmentation de 5 % de rétention dans l'écran de 200 mesh. Aucun changement n'a été observé entre l'olivine 98 GFN et l'olivine 114 GFN malgré une augmentation de la rétention de 200 mesh de près de 7 %.
Une valeur seuil de 244 RMS peut être observée.
Les résultats de rugosité de surface pour les pièces moulées obtenues à partir de noyaux en céramique montrent une légère amélioration entre les matériaux 32 GFN et 41 GFN. Il y a eu une augmentation de la rétention du tamis de 70 mesh de 34 % dans le sable 41 GFN. Une augmentation significative du lissé a été observée entre les céramiques 41 GFN et 54 GFN. Le matériau 54 GFN avait une rétention supérieure de 19 % dans le tamis de 100 mesh par rapport au matériau 41 GFN. Cette amélioration s'est produite malgré le rétrécissement de la distribution dans le matériau 54 GFN. L'impact le plus important sur les résultats de la céramique a été observé entre les sables 54 GFN et 68 GFN. Le sable 68 GFN avait une rétention supérieure de 15 % dans le tamis de 140 mesh, ce qui a élargi la distribution. Malgré une augmentation de plus de 40 % de rétention dans le tamis à 140 mesh, peu d'amélioration a été observée entre les matériaux 68 GFN et 92 GFN. La valeur seuil est de 236 RMS.
Les surfaces générées par les sables imprimés en 3D sont nettement plus rugueuses qu'une surface de sable damée utilisant le même agrégat. Les échantillons imprimés dans l'orientation XY ont fourni la surface de coulée d'essai la plus lisse tandis que ceux imprimés dans l'orientation XZ et YZ ont donné la plus rugueuse.
Le sable de silice 83 GFN non revêtu de silice damée a donné une valeur de rugosité de 185 RMS. Bien que les pièces moulées aient semblé plus lisses, les revêtements réfractaires ont augmenté la rugosité de surface telle que mesurée par le profilomètre. Le revêtement d'alumine à base d'alcool a présenté les meilleures performances tandis que le revêtement de zircon à base d'alcool a entraîné la rugosité la plus élevée. Les 83 échantillons imprimés GFN 3-D ont montré l'effet inverse. Alors que l'échantillon non revêtu était imprimé dans l'orientation la plus favorable de XY, l'échantillon non revêtu présentait une rugosité de moulage de 943 RMS. Les revêtements ont sensiblement lissé la surface à partir de la finition de surface non revêtue d'un minimum de 339 à un maximum de 488 RMS. Il apparaît que la finition de surface des sables revêtus est quelque peu indépendante de la rugosité du sable du substrat et dépend fortement de la formulation du revêtement réfractaire. Le sable imprimé en 3D, bien que commençant par une finition de surface beaucoup plus rugueuse, peut être amélioré de manière significative avec l'utilisation de revêtements réfractaires.
conclusion
Les agrégats de moulage actuellement disponibles ont la capacité d'atteindre des valeurs de rugosité de surface inférieures à 200 micropouces RMS. Ces valeurs sont légèrement inférieures aux valeurs associées aux moulages de précision. Pour les matériaux testés, chacun présentait une diminution de la rugosité de la coulée avec l'augmentation de la finesse du grain AFS global. Cela était vrai avec tous les matériaux jusqu'à une valeur seuil, moment auquel aucune diminution supplémentaire de la rugosité de coulée n'a été observée avec l'augmentation de l'AFS-GFN. Cela a été soutenu par des recherches menées précédemment.
Dans tous les groupes de matériaux, l'effet de l'AFS-GFN était secondaire à la fois à la surface calculée et à la perméabilité des agrégats. Alors que la perméabilité peut être considérée comme décrivant les zones ouvertes du sable compacté, la surface décrit mieux la distribution du sable sur l'écran et la quantité correspondante de particules fines. La perméabilité et la surface étaient directement liées au lissé de la surface de coulée. Il convient de noter que cela était vrai pour les agrégats au sein d'un groupe de formes. Bien que les agrégats anguleux et subangulaires aient des surfaces élevées, leur perméabilité était élevée et indiquait une surface ouverte. Les agrégats sphériques et arrondis présentaient les surfaces les plus lisses combinant une faible perméabilité avec une grande surface.
On pensait à l'origine que la mouillabilité de surface mesurée par l'angle de contact entre le métal liquide et l'agrégat lié était un facteur critique dans la finition de surface de coulée résultante. Bien qu'il ait été démontré que l'angle de contact sur divers matériaux à AFS-GFN similaire n'était pas proportionnel à la rugosité de la coulée, il a été confirmé que la forme du grain était un facteur majeur. L'absence de relation entre l'angle de contact et la rugosité de la surface de coulée pourrait s'expliquer par le fait que la forme du grain était considérée comme une influence majeure sur la rugosité de la surface. Il existe une possibilité significative que l'angle de contact de divers matériaux soit davantage affecté par la forme du grain et le lissé de surface résultant que par la mouillabilité du matériau seul.
Le moulage de précision fournit des pièces très lisses avec une excellente résolution des caractéristiques et une précision dimensionnelle. Les moules et noyaux en sable imprimés en 3D peuvent constituer une alternative rentable au moulage de précision si le processus peut répondre aux exigences dimensionnelles et de surface.
Bien que de nombreux changements et améliorations aient été apportés dans le domaine des consommables de fonderie, le sable est le seul matériau qui est resté relativement constant. Après l'extraction et le lavage, si nécessaire, les sables de fonderie sont classés en groupes individuels ou à deux mailles et stockés. Ils sont combinés en distributions normales pour être expédiés au client fondeur. Bien qu'il existe de nombreuses distributions minières différentes, du sable d'un numéro de finesse de grain AFS similaire est fourni dans des distributions similaires. La finition de surface fait partie intégrante des spécifications de qualité de coulée. Les finitions de surface internes rugueuses sur les pièces moulées peuvent entraîner une perte d'efficacité pour les fluides et les gaz à grande vitesse. C'est le cas des composants du turbocompresseur et du collecteur d'admission. L'Université du nord de l'Iowa a étudié les caractéristiques des matériaux de moulage qui affectent le lissé de la surface des pièces moulées. La recherche a été menée sur des pièces moulées en aluminium, mais a des applications et une pertinence dans les alliages ferreux qui ne présentent pas de défauts tels que des défauts de pénétration ou de sable fondu. L'étude examine l'influence des caractéristiques des supports de moulage telles que la finesse du sable, le type de matériau et la sélection du revêtement réfractaire. L'objectif du projet était de réaliser des finitions de surface de moulage à modèle perdu dans des pièces moulées au sable.
Résultats de perméabilité et de surface
La perméabilité AFS est définie comme le temps nécessaire à un volume d'air connu pour traverser un échantillon standard à une hauteur de 10 cm d'eau. Simplement, la perméabilité AFS représente la quantité d'espaces ouverts entre les grains d'agrégats qui permettent à l'air de passer. Le GFN d'un matériau modifie significativement la perméabilité jusqu'à 80 GFN, où la tendance semble se stabiliser.
Les données montrent que la même rugosité de surface peut être obtenue avec n'importe quelle forme de particule à des vitesses différentes. Les matériaux à grains sphériques et ronds améliorent la douceur de la coulée à un rythme accéléré par rapport aux agrégats angulaires et sous-angulaires.
Résultats de l'angle de contact du gallium
Des mesures d'angle de contact ont été effectuées pour mesurer la mouillabilité relative des agrégats de moulage liés avec du métal liquide en utilisant un test au gallium liquide. Les sables céramiques avaient l'angle de contact le plus élevé tandis que le zircon et l'olivine partageaient un angle de contact inférieur similaire. Le gallium a montré un comportement hydrophobe sur toutes les surfaces de sable. Un AFS-GFN similaire a été utilisé pour tous les échantillons. Les résultats indiquent que l'angle de contact pour les types de sable dépendait fortement de la forme du grain d'agrégat, comme indiqué sur l'axe secondaire, plutôt que du matériau de base. Les sables céramiques avaient la forme la plus ronde et les sables à olivine présentaient une forme très anguleuse. Bien que la mouillabilité de la surface de l'agrégat de base puisse jouer un rôle dans la finition de la surface de coulée, la plage de mesures d'angle de contact dans la série d'essais était subordonnée à la forme du grain.
Résultats de la rugosité de surface des pièces moulées d'essai
Les résultats de rugosité de surface ont été mesurés à l'aide d'un profilomètre de contact. Il y a eu une amélioration significative du lissé de surface de la silice 44 GFN à trois écrans à la silice 67 GFN à quatre écrans. Les changements au-delà de 67 GFN n'ont pas montré d'impact sur la rugosité de surface malgré la variation de la largeur de distribution. La valeur seuil de 185 RMS est respectée.
Une grande amélioration du lissé peut être observée entre les matériaux 101 et 106 GFN. Le sable 106 GFN a plus de 17% de matériau 200 mesh en plus dans la distribution de l'écran. Les matériaux GFN à deux écrans 115 et 118 ont entraîné une diminution du lissé. Le sable 143 GFN a donné des lectures similaires à celles du zircon 106 GFN. La valeur seuil est de 200 RMS.
Une amélioration constante du lissé de surface a été observée entre la chromite 49 GFN à quatre écrans et la chromite 73 GFN à trois écrans, malgré le rétrécissement de la distribution des particules. Une augmentation de 19 % de la rétention de l'écran de 140 mesh a été observée dans la chromite 73 GFN par rapport à la 49 GFN. Une augmentation significative du lissé de la coulée a été démontrée entre les sables de chromite 73 GFN à trois grilles et les sables de chromite 77 GFN à quatre grilles, indépendamment de leurs nombres de finesse de grain similaires. Aucun changement de lissé n'a été observé entre les matériaux de chromite 77 GFN et 99 GFN. Fait intéressant, les deux sables partageaient une rétention très similaire dans le tamis de 200 mesh. La valeur seuil est de 250 RMS.
Il y a une amélioration significative de la douceur de coulée de l'olivine 78 GFN à l'olivine 84 GFN malgré la distribution plus étroite. Une augmentation de 15 % de rétention dans le tamis de 140 mesh était visible dans l'olivine 84 GFN. Il y a une signification entre l'olivine 84 et 85 GFN. L'olivine 85 GFN a amélioré le lissé de 50. L'olivine 85 GFN est un sable à trois grilles avec près de 10 % de rétention dans la grille de 200 mesh tandis que l'olivine 84 GFN est simplement un matériau à deux grilles. Une amélioration constante de la douceur peut être observée de l'olivine 85 GFN à l'olivine 98 GFN. La distribution de l'écran montre une augmentation de 5 % de rétention dans l'écran de 200 mesh. Aucun changement n'a été observé entre l'olivine 98 GFN et l'olivine 114 GFN malgré une augmentation de la rétention de 200 mesh de près de 7 %.
Une valeur seuil de 244 RMS peut être observée.
Les résultats de rugosité de surface pour les pièces moulées obtenues à partir de noyaux en céramique montrent une légère amélioration entre les matériaux 32 GFN et 41 GFN. Il y a eu une augmentation de la rétention du tamis de 70 mesh de 34 % dans le sable 41 GFN. Une augmentation significative du lissé a été observée entre les céramiques 41 GFN et 54 GFN. Le matériau 54 GFN avait une rétention supérieure de 19 % dans le tamis de 100 mesh par rapport au matériau 41 GFN. Cette amélioration s'est produite malgré le rétrécissement de la distribution dans le matériau 54 GFN. L'impact le plus important sur les résultats de la céramique a été observé entre les sables 54 GFN et 68 GFN. Le sable 68 GFN avait une rétention supérieure de 15 % dans le tamis de 140 mesh, ce qui a élargi la distribution. Malgré une augmentation de plus de 40 % de rétention dans le tamis à 140 mesh, peu d'amélioration a été observée entre les matériaux 68 GFN et 92 GFN. La valeur seuil est de 236 RMS.
Les surfaces générées par les sables imprimés en 3D sont nettement plus rugueuses qu'une surface de sable damée utilisant le même agrégat. Les échantillons imprimés dans l'orientation XY ont fourni la surface de coulée d'essai la plus lisse tandis que ceux imprimés dans l'orientation XZ et YZ ont donné la plus rugueuse.
Le sable de silice 83 GFN non revêtu de silice damée a donné une valeur de rugosité de 185 RMS. Bien que les pièces moulées aient semblé plus lisses, les revêtements réfractaires ont augmenté la rugosité de surface telle que mesurée par le profilomètre. Le revêtement d'alumine à base d'alcool a présenté les meilleures performances tandis que le revêtement de zircon à base d'alcool a entraîné la rugosité la plus élevée. Les 83 échantillons imprimés GFN 3-D ont montré l'effet inverse. Alors que l'échantillon non revêtu était imprimé dans l'orientation la plus favorable de XY, l'échantillon non revêtu présentait une rugosité de moulage de 943 RMS. Les revêtements ont sensiblement lissé la surface à partir de la finition de surface non revêtue d'un minimum de 339 à un maximum de 488 RMS. Il apparaît que la finition de surface des sables revêtus est quelque peu indépendante de la rugosité du sable du substrat et dépend fortement de la formulation du revêtement réfractaire. Le sable imprimé en 3D, bien que commençant par une finition de surface beaucoup plus rugueuse, peut être amélioré de manière significative avec l'utilisation de revêtements réfractaires.
conclusion
Les agrégats de moulage actuellement disponibles ont la capacité d'atteindre des valeurs de rugosité de surface inférieures à 200 micropouces RMS. Ces valeurs sont légèrement inférieures aux valeurs associées aux moulages de précision. Pour les matériaux testés, chacun présentait une diminution de la rugosité de la coulée avec l'augmentation de la finesse du grain AFS global. Cela était vrai avec tous les matériaux jusqu'à une valeur seuil, moment auquel aucune diminution supplémentaire de la rugosité de coulée n'a été observée avec l'augmentation de l'AFS-GFN. Cela a été soutenu par des recherches menées précédemment.
Dans tous les groupes de matériaux, l'effet de l'AFS-GFN était secondaire à la fois à la surface calculée et à la perméabilité des agrégats. Alors que la perméabilité peut être considérée comme décrivant les zones ouvertes du sable compacté, la surface décrit mieux la distribution du sable sur l'écran et la quantité correspondante de particules fines. La perméabilité et la surface étaient directement liées au lissé de la surface de coulée. Il convient de noter que cela était vrai pour les agrégats au sein d'un groupe de formes. Bien que les agrégats anguleux et subangulaires aient des surfaces élevées, leur perméabilité était élevée et indiquait une surface ouverte. Les agrégats sphériques et arrondis présentaient les surfaces les plus lisses combinant une faible perméabilité avec une grande surface.
On pensait à l'origine que la mouillabilité de surface mesurée par l'angle de contact entre le métal liquide et l'agrégat lié était un facteur critique dans la finition de surface de coulée résultante. Bien qu'il ait été démontré que l'angle de contact sur divers matériaux à AFS-GFN similaire n'était pas proportionnel à la rugosité de la coulée, il a été confirmé que la forme du grain était un facteur majeur. L'absence de relation entre l'angle de contact et la rugosité de la surface de coulée pourrait s'expliquer par le fait que la forme du grain était considérée comme une influence majeure sur la rugosité de la surface. Il existe une possibilité significative que l'angle de contact de divers matériaux soit davantage affecté par la forme du grain et le lissé de surface résultant que par la mouillabilité du matériau seul.
Comme avec tous les instruments de mesure, les artefacts de la méthode de test peuvent influencer les résultats dans une certaine mesure. L'augmentation de la rugosité de la coulée, bien que visuellement les pièces moulées paraissent plus lisses avec l'application d'un revêtement réfractaire, peut être due à la forme des pics et des creux créés avec les revêtements. Par définition et mesure, les revêtements réfractaires n'augmentent que la rugosité de surface par rapport aux échantillons non revêtus. Tous les revêtements réfractaires ont très bien réussi à améliorer la rugosité de surface des sables imprimés en 3D. Il est apparu que la finition de surface des pièces moulées d'essai à partir d'échantillons revêtus était quelque peu indépendante du sable du substrat de départ. Les revêtements ont eu un effet majeur sur la finition de surface, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour réviser les revêtements afin d'améliorer les finitions de coulée.
Édité par Santos Wang de Ningbo Zhiye Mechanical Components Co., Ltd.
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