Μελέτη χύτευσης ακριβείας εν κενώ

Abstract

Το παρόν πόνημα έχει ως αντικείμενο μελέτης τον προσδιορισμό της μορφής του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας στη διεπιφάνεια χυτού – καλουπιού, κατά τη χύτευση ακριβείας, με γύψινο καλούπι και εφαρμογή διαφοράς πίεσης. Αυτός ο συντελεστής περιγράφει τον τρόπο και την ένταση απομάκρυνσης της θερμότητας από το χυτό μέσω του καλουπιού. Μέσω δε σωστά μοντελοποιημένης προσομοίωσης, όπου εισάγεται ως δεδομένο, μπορούν να προβλεφθούν ο χρόνος στερεοποίησης και οι προκύπτουσες μικροδομές και να ελαχιστοποιηθούν το πορώδες τυχούσες άλλες ατέλειες. Αρχικά γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση για τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στη χύτευση και παράθεση εργασιών από τη διεθνή βιβλιογραφία που μελετούν παρόμοια θέματα με διάφορες μεθόδους. Όσον αφρά στην πειραματική διαδικασία χρησιμοποιείται τριμερές κράμα χαλκού με σύσταση 64% Cu – 12% Ni – 24% Zn (Maillechorts), που φέρει την εμπειρική ονομασία αλπακάς, και συναντάται σε πολλές χρήσεις. Τα πειράματα πραγματοποιούνται σε χυτόπρεσσα κενού του Ε.Ν.Τ. τροποποιημένη έτσι ούτως ώστε να είναι δυνατή η λήψη θερμοκρασιών με θερμοστοιχεία. Τα δύο πειράματα που επεξεργάζονται για τη λήψη αποτελεσμάτων έχουν ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας τήγματος, αλλά διαφορετική θερμοκρασία καλουπιού. Γίνεται προσπάθεια να μετρηθεί με ακρίβεια η θερμοκρασιακή πτώση εκατέρωθεν της διεπιφάνειας και στη συνέχεια με σχέσεις μεταφοράς θερμότητας να υπολογιστεί ο ζητούμενος συντελεστής. Επικουρικά στη μελέτη χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης χύτευσης ProCast. Γίνεται μοντελοποίηση των δύο πειραμάτων με τους συντελεστές που υπολογίστηκαν και στη συνέχεια υπέρθεση αριθμητικών και πειραματικών καμπύλων. Αποτυπώνονται οι διαστάσεις των χυτών κατόπιν ενδελεχών μετρήσεων και ερμηνεύονται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα και από τις αποκλίσεις των διαστάσεών τους από τις ονομαστικές. Επίσης από άλλη σειρά πειραμάτων με διαφορετικές συνθήκες πιέσεων, αλλά ίδιες αρχικές θερμοκρασιακές συνθήκες και ίδιας γεωμετρίας δοκιμίων, γίνεται λείανση της μέσης τομής, παρατήρηση της μικροδομής και μέτρηση του πορώδους. Τέλος, απαριθμούνται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις προαναφερθείσες έρευνες, αμφισβητήσεις πάνω σε κατεστημένες απόψεις και προτείνονται ενδιαφέροντα θέματα περαιτέρω έρευνας.

The present thesis is orientated to determine the form of heat transfer coefficient (HTC) at the metal/mold interface, during investment casting, using plaster as material for mold and using low pressure difference between melting and casting chambers and the environment. This coefficient describes the way and the burst in which heat is released from the casting and gets through the metal/mold interface. Using this coefficient as input in an appropriate modelled simulation, solidification time and owing microstructures can be predicted. In this way, porosity and other possible defects can be eliminated. In the beginning a review from international literature for the phenomena that take place during the casting is conducted and parts and results of projects that have similar subject as this one, even if they approach the problem in the same or a different way, are presented. As far as the experimental procedure is concerned, the alloy in question was 64% Cu - 12% - Ni - 24% Zn (Maillechorts series), known with the emperical name German Silver or White Silver and which is met in many uses. The casting production was achieved using the specially modified vacuum casting machine of the Shipbuilding Technology Laboratory, able to plug on it thermocouples for temperature reading. The two experiments that were used to export results have same pressural conditions and pouring temperature, but different mold initial temperature. The temperature drop through either side of the interface has been attempted to be measured. Using equations which describe the heat transfer, HTC in question has been calculated. Additionally to thermal calculations, casting simulation software ProCast has been used. The two experiments have been simulated using the calculated HTCs as an input parameter. Plotting of the experimental and the simulated cooling curves permitted comparison between them. Dimensions of castings are carefully measured. A result of this investigation is the shrinkage percentage as function of mold’s temperature. Furthermore, items coming from other experimental series with different pressural but same initial tempretural conditions and of the same geometry have been cut towards the axial direction and the middle section of them has been metallographically prepared in order to reveal the microstrusture and measure the porosity level. Finally, the resulting values of the HTC are commented and compared to simmilar results from the literature. The difficulties of the whole procedure are highlighted and tasks for further investigation are proposed.