GLASSEX - NOWY DODATEK POPRAWIAJĄCY WYBIJALNOŚĆ MAS ZE SZKŁEM WODNYM

Transkrypt

1 9/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN GLASSEX - NOWY DODATEK POPRAWIAJĄCY WYBIJALNOŚĆ MAS ZE SZKŁEM WODNYM S. M. DOBOSZ 1, K. MAJOR-GABRYŚ 2 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo- Hutnicza, Ul. Reymonta 23, Kraków, Polska STRESZCZENIE Technologia mas ze szkłem wodnym, jako tania i bardzo ekologiczna metoda wytwarzania mas formierskich i rdzeniowych posiada niestety poważną wadę jaką jest słaba wybijalność i mała zdolność do regeneracji mechanicznej. Wychodząc z analizy procesów zachodzących w masach w podwyższonych temperaturach opracowano nowe składy mas zawierające nowy dodatek Glassex, który wprowadzony do masy zdecydowanie poprawia wybijalności. Artykuł prezentuje badania własne na temat tego dodatku. Key words: moulding sand with water glass, knock -out properties. 1. WPROWADZENIE Ważnym elementem przy doborze technologii mas formierskich i rdzeniowych, oprócz uwarunkowań technologicznych czy ekonomicznych, jest wymóg zapewnienia odpowiednich warunków ochrony środowiska. Dlatego też w dziedzinie wytwarzania form i rdzeni dla produkcji jednostkowej lub małoseryjnej średnich i dużych odlewów dużą rolę odgrywają sypkie masy samoutwardzalne ze szkłem wodnym. Niestety ich podstawową wadą jest słaba wybijalność i podatność oraz mała zdolność do regeneracji mechanicznej. Dlatego wiele ośrodków krajowych i zagranicznych intensywnie pracuje nad tymi zagadnieniami. Poprawa wybijalności mas ze szkłem wodnym jest obiektem badań w wielu ośrodkach naukowych w kraju i za granicą. Przegląd głównych metod przedstawiono 1 Prof. nadzw. dr hab. inż.,dobosz@uci.agh.edu.pl 2 mgr inż.doktorantka, katarzyna.majorgabrys@neostrada.pl

2 64 w oddzielnej publikacji [1]. Pomimo tak szerokiego frontu badań nie udało się jeszcze w sposób zdecydowany pozytywnie uporać się z tym problemem. 2. BADANIA WŁASNE W wyniku przeprowadzonych badań własnych zaproponowano nową masę ze szkłem wodnym, o zwiększonej wybijalności. Metoda polega na wprowadzaniu dodatku do masy, ale o odmiennym od dotychczasowych sposobie działania. Jest bardzo tanim, nieorganicznym, porowatym materiałem mineralnym, o strukturze ziarnistej, uprzednio poddanym obróbce termicznej w temperaturze o C. Nie jest to zatem materiał który szybko zgazowuje się po zalaniu formy ciekłym metalem. Dodatek ten oddziałuje na strukturę połączeń w masie bez względu na właściwości samego spoiwa. Roboczo nadano mu nazwę glassex. Pod względem składu chemicznego składa się wagowo z: krzemionki (SiO 2 ) w ilości 70 80%, tlenku glinu (Al 2 O 3 ) w ilości 10 20%, tlenku żelazowego (Fe 2 O 3 ) w ilości 1 3%, tlenku wapniowego i magnezowego (CaO+MgO) w łącznej ilości 1 8% oraz tlenku sodowego i potasowego (Na 2 O+K 2 O) w łącznej ilości 5 8%. Jest niehigroskopijny i odporny na warunki atmosferyczne. Masy ze szkłem wodnym zawierające ten dodatek są obiektem zgłoszenia patentowego nr P W masach ze szkłem wodnym siły adhezji spoiwa do ziaren osnowy są wyższe od siły kohezji spoiwa. A zatem podczas niszczenia połączenia powierzchnia przełomu przebiega wewnątrz spoiwa, wewnątrz mostka wiążącego. Wprowadzany dodatek oddziałuje w wielokierunkowy sposób, tak na zmianę struktury spoiwa jak i sposób mechanicznego niszczenia wiązań w podwyższonych temperaturach. W wyniku tego zmniejsza wytrzymałość końcową masy. Dokładny mechanizm tego oddziaływania jest aktualnie celem badań. Szerokie badania laboratoryjne a także przemysłowe mas z udziałem nowego dodatku są w trakcie realizacji. Obiektem badań jest także ostateczny skład dodatku, jego struktura oraz stopień rozdrobnienia w kontekście wpływu na podstawowe właściwości technologiczne masy oraz główny efekt czyli poprawę wybijalności i zdolności do regeneracji mechanicznej. Prezentowane badania dotyczą najpopularniejszej technologii mas ze szkłem wodnym czyli sypkich mas samoutwardzalnych z ciekłymi utwardzaczami, w technologii floster. W prezentowanych badaniach skład masy był następujący: - piasek kwarcowy cz.wag.; - szkło wodne cz.wag.; - flodur 3-0,3 cz.wag. Na rysunku 1 przedstawiono wyniki badań wybijalnoś ci mas, ocenianej zgodnie z PN-85/H-11005, jako ilość energii potrzebnej do usunięcia rdzenia z badanej masy z doświadczalnego odlewu. Przygotowane formy były zalewane staliwem o temperaturze C. Rysunek przedstawia porównanie wybijalności masy bez dodatku oraz mas z jedną częścią wagową dodatku glassex o granulacji II. Granulacja dodatku była tak przeprowadzona, że średnia wielkość ziarna wynosiła około 0,5 mm. Taki udział dodatku oraz jego granulacja została dobrana w wyniku szerokich badań, opisanych

3 65 w oddzielnej publikacji, gdzie stwierdzono uzależnienie tego efektu od zawartości i stopnia rozdrobnienia dodatku [2]. praca, kj 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 masa bez dodatku masa z 1,0 cz.wag. Glassex II 0 Rys. 1. Porównanie wybijalności masy bez dodatku z masą z 1,0 cz. wag. glassex. Fig. 1. The comparison of the knock-out properties of additive-free moulding sand versus moulding sand containing 1,0 part by weight of glassex. Jak widać wprowadzenie dodatku skutkuje ponad dwukrotną poprawą wybijalności. Jest to efekt bardzo duży, trudny do uzyskania przy dotychczas stosowanych metodach. Dla wyjaśnienia wpływu dodatku przeprowadzono także ocenę wybijalności mas za pomocą drugiego najważniejszego parametru czyli przez pomiar wytrzymałości końcowej Rc tk. Rysunek 2a przedstawia taką zależność, dla mas utwardzanych CO 2 [3]. Badania własne wykazały, że analogiczny charakter zależności otrzymuje się także dla sypkich mas samoutwardzalnych ze szkłem wodnym, w tym dla mas z ciekłymi utwardzaczami czyli najczęściej stosowanej w praktyce odlewniczej technologii floster (rys. 2b). Szczegółowy opis krzywej oraz poglądy różnych autorów na przyczyny takiego przebiegu charakterystyki są opisane w literaturze [3,4,5]. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badań własnych wybijalności, mierzonej wartościami wytrzymałości końcowej Rc tk, dla mas z 1 częścią wagową dodatku glassex. Ta zawartość i ta granulacja dodatku okazała się najkorzystniejsza w poprzednich badaniach. Widać, że masa z dodatkiem ma znacznie niższe wartości Rc tk. Interesujący jest natomiast charakter otrzymany zależności. Masa bez dodatku ma typowy przebieg tej zależności z charakterystycznymi maksimami w temperaturze 200 i C oraz minimum w C. Masa z dodatkiem ma inny przebieg z wyraźnym przesunięciem drugiego maksimum w kierunku znacznie wyższych temperatur.

4 wytrzymałość końcowa na ściskanie, MPa Wytrzymałość na ściskanie, MPa 66 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Temperatura wygrzania, o C a/ b/ Rys. 2. Klasyczny przebieg zmiany wytrzymałości końcowej R tk c masy ze szkłem wodnym utwardzonej CO 2 (a) oraz masy w technologii floster (b) wraz ze wzrostem temperatury. tk Fig. 2. The classical run of dry strength s variation R c of moulding sand with water glass, hardened with CO 2 (a) and moulding sand in floster technology along with the temperature s increase. masa bez dodatku masa z 1,0 cz.w. Glassex II 2,5 2 1,5 1 0, temperatura wygrzania, o C Rys. 3. Wpływ dodatku glassex na wybijalność (Rc tk ) mas. Fig. 3. The influence of the glassex additive on moulding sands knock-out properties (Rc tk ). Mechanizm tego zjawiska jest aktualnie obiektem szczegółowych badań. Znane są pewne elementy tych procesów. Zostały one przedstawione w innych opracowaniach [4-7]. Wiadomo bowiem, że wytrzymałość końcowa w zakresie temperatur powyżej C nie jest właściwym kryterium oceny wybijalności [7]. Można jednak już

5 67 zaznaczyć, że jest on związany z chemicznym i mechanicznym oddziaływaniem dodatku na strukturę spoiwa i sposób destrukcji. Przedstawiony powyżej efekt poprawy wybijalności był planowanym celem prowadzonych prac nad nowym dodatkiem. Jego skład został tak dobrany aby II maksimum przesunąć w zakres tak wysokich temperatur które nie wys tępują w masie. Temu służy zawartość w dodatku niezwiązanego Al 2 O 3, a dokładniej takiej jego postaci która zapewni wydzielanie się z niego w temperaturach drugiego maksimum bardzo reaktywnej fazy - Al 2 O 3. Czym wyższa jest zawartość - Al 2 O 3 tym bardziej odsuwane jest II maksimum do obszaru wyższych temperatur. Trzeba oczywiście zadbać aby udział nowego dodatku w masie był jak najmniejszy. Także udział w dodatku Fe 2 O 3 spełnia ważną rolę w poprawie wybijalności. Osobnym czynnikiem jest mechaniczne oddziaływanie stosunkowo dużych ziaren dodatku na mechanizm destrukcji masy w czasie wybijania odlewów z formy. A zatem wyjaśnienie wpływu nowego dodatku na wybijalność to ocena tego zjawiska za pomocą różnych parametrów i metod badawczych. 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone szerokie badania laboratoryjne oraz wstępne próby przemysłowe wykazały pełną przydatność zaproponowanej nowej metody poprawy wybijalności mas ze szkłem wodnym. Uzyskane efekty są bardzo korzystne, a podwyższenie ceny masy niewielkie, chociaż aktualnie trudno jest podać dokładną cenę dodatku. Stwierdzono także, że nowy dodatek nie powoduje pogorszenia innych podstawowych właściwości masy, takich jak wytrzymałość czy przepuszczalność [1]. Metoda ta jest aktualnie dopracowywana pod kątem optymalizacji składów mas, oraz procedur wprowadzania dodatku do masy. Osobnym zagadnieniem jest zbadanie i poznanie mechanizmu zachodzących procesów. Po dopracowaniu szczegółowych rozwiązań ta tania i ekologiczna metoda może w większym stopniu zagościć w odlewniach. LITERATURA [1] S.M. Dobosz, K. Major-Gabryś: Zjawiska powierzchniowe a wybijalność mas ze szkłem wodnym. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Komisja Budowy maszyn PAN w Oddział w Poznaniu (w druku). [2] S.M. Dobosz: Masy ze szkłem wodnym o zwięk szonej wybijalności. Archiwum Odlewnictwa. Komisja Odlewnictwa PAN w Katowicach (w druku). [3] J.L. Lewandowski: Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit, Kraków, [4] P. Jelinek: Vliv Al 2 O 3 na rozpadovost CT-smesi. Sbornik vedeckych praci VSB v Ostrave, R. XIV, ć. 6, 1968, s [5] P. Jelinek: Vliv gama-al 2 O 3 na viskozitu kremicitanovych skel a rozpadovost CT. Slevarenstvi, s

6 68 [6] I.S. Syczev: Poluczienie liekovybijajemych smiesjej. Litiejnoje Proizwodstwo, 1965, Nr 6. s [7] P. Jelinek: Pojivove soustavy slevarenskych formovacich smesi. Ostrava, Praca finansowana przez KBN w ramach prac statutowych. SUMMARY GLASSEX A NEW ADDITIVE IMPROVING THE KNOCK-OUT PROPERTIES OF MOULDING SANDS WITH WATER GLASS The article focuses on the knock-out properties of moulding sands with water glass. Unfortunately, this cheap and ecological method of producing both core and moulding sands has some serious defects including poor knock-out properties and low ability to mechanical regeneration. The article describes the assumption of a new, very effective method of improving the knock-out properties by introducing the new additive called Glassex. Recenzent: prof. dr inż. Tadeusz Olszowski.