Mateusz Franckowiak	Katedra Tworzyw Formierskich, Technologii Formy i Odlewnictwa Metali Nieżelaznych	Data ćwiczenia: 18.04.2013
Rok: I magisterski Odlewnictwo 1	Technologia Form Odlewniczych Temat: Badania ultradźwiękowe w masach samo i szybkoutwardzalnych	Ocena:

1. Część teoretyczna

W trakcie procesu technologicznego masy formierskie zmieniają swoje cechy sprężyste. Na początku, po sporządzeniu są one najczęściej tworzywami lepko-sprężystymi - np. masy z płynnymi spoiwami chemicznymi. Podczas utwardzania, właściwości reologiczne mas ulegają zmianie i stają się najpierw tworzywami sprężysto-plastycznymi - z zanikającą plastycznością, by w końcu stać się tworzywami nieliniowo-sprężystymi.

Powodem osłabienia fali sprężystej w ośrodku uziarnionym są zjawiska absorpcji i rozproszenia. Relaksacja, lepkość, przewodnictwo i promieniowanie ciepła są przyczyną absorpcji, natomiast niejednorodność ośrodka i granice faz są przyczyną rozproszenia fali. Obydwa czynniki - absorpcja i rozproszenie - wpływają na mierzony w ośrodku współczynnik tłumienia, lub prędkość fali. Udział poszczególnego czynnika jest trudny do zmierzenia, ale od strony teoretycznej mogą być opisane oddzielnie.

W opisywanym ciele, z punku reologicznego, możemy wydzielić trzy rodzaje składników :

• ziarna osnowy - posiada wysoką i niezmienną w czasie sprężystość.

• spoiwo chemiczne - podczas sporządzania posiada małą sprężystość, dużą plastyczność, po związaniu ma wielokrotnie wyższą sprężystość niż na początku.

• gazy - wypełniają przestrzenie między ziarnowe, nie nadają cech sprężystych masie, ale mogą uczestniczyć w propagacji fali

Masa formierska jest wielofazowym komponentem o cechach lepko-sprężystych. Podczas wiązania właściwości sprężyste masy podlegają ciągłym zmianą. Podczas utwardzania lepkość spoiwa się zwiększa. W końcowej fazie procesu utwardzania spoiwo przechodzi w stan stały.

Dla mas ze spoiwami chemicznymi podczas utwardzania szybkość, z jaką zachodzą zmiany właściwości reologicznych masy, nie jest stała i jest związana z kinetyką chemicznej reakcji spoiwo - utwardzacz. Przebieg takiej reakcji jest zależny od chwilowych stężeń reagentów, ale także od zdolności masy do odprowadzenia powstałych w trakcie reakcji produktów gazowych. W wyniku tych procesów zdolność masy do przenoszenia dynamicznych odkształceń wywołanych działaniem sił zewnętrznych ciągle się zmienia. Odkształcenia mogą przyjmować postać fali sprężystej, której przemieszczanie opisują równania ruchu falowego.

Zastosowanie fal ultradźwiękowych w odlewnictwie

W odlewnictwie od wielu lat fale ultradźwiękowe są stosowane w badaniach nieniszczących, głównie w defektoskopii ultradźwiękowej. Defektoskopia ma na celu wykrycia wad powierzchni, ale także wewnętrznych wad materiału (rys, pęcherzy, rzadzizn, wtrąceń, pęknięć i inne). Fale ultradźwiękowe są również wykorzystywane w :

• pomiarach grubości obiektów

• mikrodefektoskopii materiałów

• mikroskopii ultradźwiękowej

• badaniu właściwości materiałów - strukturoskopii

• badaniu stanu materiału - pomiary naprężeń

Przykładem wykorzystania ultradźwięków w odlewnictwie może być użycie ich do: badań odlewów ciśnieniowych, obróbki w stanie ciekłym ultradźwiękami mieszanek gipsowych dla odlewnictwa, kontroli jakości, czy wykorzystanie w badaniach i ocenie zmęczenia cieplnego części żeliwnych.

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas zajęć laboratoryjnych przeprowadzono pomiar kinetyki utwardzania mas przy użyciu ultradźwięków. W pierwszym przypadku badaniu poddano dwie masy o tym samym zagęszczeniu i takim samym ciśnieniu przedmuchiwanego gazu (0,5 MPa). Różnica mas polagała na wielkości ziarn osnowy piaskowej. Podczas badań zmierzono także czas przejścia impulsu ultradźwiękowego przez wykonane rdzenie. W drugim przypadku zbadano masę z drobnymi ziarnami o zmiennym ciśnieniu przedmuchiwanego gazu (0,25 i 1 MPa). Sporządzono masę o następującym składzie:

100 cz. wag. piasku kwarcowego

2,5 cz. wag. żywicy

Piasek gruboziarnisty o frakcji głównej 0,2-0,4 mm (0,20/0,32/0,40)

Piasek drobnoziarnisty o frakcji głównej 0,1-0,2 mm (0,10/0,16/0,20)

Rys.1. Stanowisko do badań ultradźwiękowych kinetyki utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi (1-butla z gazem, 2-4 reduktor z podgrzewaczem i sterowaniem, 5 pomiar dozowania, 6 głowice ultradźwiękowe, 7 tester, 8 PC, 9 miejsca pomiarowe, 10-11 rdzennica - forma)

Do oceny stopnia utwardzania masy zastosowano wskaźnik zwany stopniem utwardzania S_x. Współczynnik ten określa w której fazie w danej chwili jest proces wiązania masy. Oparty on jest na bezwymiarowej prędkości fali i został zdefiniowany zależnością:

$$S_{x} = \frac{\text{Cl}_{(x)} - \text{Cl}_{(0)}}{\text{Cl}_{(\max)} - \text{Cl}_{(0)}}$$

Gdzie:

S_x – prędkościowy stopień utwardzania masy

Cl_(x) - prędkość fali w próbce określona w danej chwili

Cl₍₀₎ − predkosc fali w probce w chwili poczatkowej (t = 0) 

Cl_(max) – prędkość fali w próbce po całkowitym utwardzeniu.

1. Wyniki badań

Rys.2. Wpływ czasu utwardzania na zmiany prędkości fali masy z piaskiem drobnoziarnistym oraz masy z piaskiem gruboziarnistym przy 0,5MPa

Rys.3. Wpływ czasu utwardzania na stopień utwardzenia masy z piaskiem drobnoziarnistym oraz masy z piaskiem gruboziarnistym przy 0,5MPa

Rys.4. Wpływ czasu utwardzania na zmiany prędkości fali masy z piaskiem drobnoziarnistym z ciśnieniem przedmuchiwanego gazu 0,25 MPa, 0,5MPa oraz 1 MPa

Rys.5. Wpływ czasu utwardzania na stopień utwardzenia masy z piaskiem drobnoziarnistym z ciśnieniem przedmuchiwanego gazu 0,25 MPa, 0,5MPa oraz 1 MPa

Czas przejścia impulsu ultradźwiękowego przez wykonane rdzenie:

Tabela 1.

Numer pomiaru	Czas przejścia impulsu ultradźwiękowego [μs]
	Masa z piaskiem drobnoziarnistym
1	49,12
2	49,27
3	48,22
4	47,89
5	53,14
6	54,31

1. Analiza wyników i wnioski

Z rysunku 2 wynika, że wartości prędkości fali zmieniające się z upływem czasu utwardzania zarówno dla masy z piaskiem drobnoziarnistym jak i gruboziarnistym mają bardzo podobne przebiegi. W pierwszej fazie następuje szybkie zwiększenie wartości prędkości fali, osiąga ona swoje maksimum, po czym następuje stabilizacja. Minimalnie większą wartość maksymalną prędkości fali ma masa z piaskiem drobnoziarnistym.

Na podstawie rysunku 3 można stwierdzić, że zarówno masa z piaskiem drobnoziarnistym jak i z gruboziarnistym utwardza się w takim samym czasie.

Z kolei na rysunku 4 można zauważyć, że przy przedmuchiwaniu gazem o ciśnieniu 1 MPa prędkość fali szybciej wzrasta i osiąga swoją wartość maksymalną, która jest większa niż przy ciśnieniu 0,5MPa czy 0,25 MPa. W przypadku ciśnienia 0,25 MPa prędkość fali wolniej osiąga swoją wartość maksymalną, jednakże nie jest to duża różnica w porównanie z ciśnieniem 1 MPa.

Z rysunku 5 wynika, że w masie przedmuchiwanej gazem o ciśnieniu 1 MPa zachodzi szybsze utwardzanie w początkowym czasie jednakże później masa ta zrównuje się z masą o ciśnieniu przedmuchiwanego gazu równym 0,25 MPa oraz 0,5MPa.

Na drogę fali ultradźwiękowej w dużym stopniu wpływa osnowa piaskowa poprzez kształt i wielkość ziaren. Drobnoziarnista osnowa osiąga większe wartości prędkości fali ultradźwiękowej w porównaniu z gruboziarnistą osnową. Ważnym czynnikiem jest także ciśnienie gazu, którym przedmuchiwana jest masa. Zwiększenie ciśnienia takiego gazu przyspiesza proces utwardzania masy.