26/28 Solidiiikation or 0\letals and Alloys, ~o

Transkrypt

1 26/28 Solidiiikation or 0\letals and Alloys, ~o Krzepnięcie 0\letali i Stopów. Nr 26, '.\:\f- OddziHI Katowice PL ISSN 02Uli-9386 WYBRANE ASPEKTY METODYKI OZNACZANIA WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH UKŁADU: KW AR C-MA TERlA Ł WIĄŻĄCY -.k..l-v ARC HU TERA Barbara, LEWANDOWSKl Jan Lech, St'vfYKSY Krzysztof W y dział Odlewnictwa AGH, ul Reymonta 23, Kraków Streszczenie Wytrzymałość modelowego układu : 2 kule kwarcowe - material wtązący (w stanie utwardzonym lub wysuszonym) zależy od parametrów geometrycznych (R. p, ł/1) i fizykochemicznych (ak. aa, ry) układu. W pracy przedstawiono zarys metodyki określania wytrzymałości układu modelowego. Oznaczono wytrzymałość kohezyjną ak i adhezyjną aa (połączenia : kwarc - material wiążący) dla dwóch typów materialu wiążącego: mieszaniny bentonitu z wodą (w stanie wysuszonym), żywicy z utwardzaczem (w stanie utwardzonym). Na podstawie analizy wyników obliczeń i doświadczeń zaproponowano metodykę określania wytrzymałości modelowego układu: 2 kule kwarcowe - materiał wiążący. 1. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIE Podczas mieszania, zagęszczania i wiązania (utwardzania) zachodzą w masie formierskiej złożone procesy natury chemicznej, fizycznej i fizykochemicznej, nadające masie spójność -wytrzymałość mechaniczną. Zjawiska te przebiegają na granicy faz: osnowa kwarcowa - materiał wiążący oraz w samym materiale wiążącym. Są one uwarunkowane parametrami fizykochemicznymi zarówno osnowy, jak i materiału wiążącego. Spośród wielu parametrów fizykochemicznych odgrywających znaczącą rolę w procesach wiązania ziarn osnowy piaskowej wymienić należy: rodzaj osnowy pod względem morfologii powierzchni, stopnia rozw1n1ęcia i stanu energetycznego oraz napięcie powierzchniowe ciekłego materialu wiążącego i jego zwilżalność oraz lepkość. Należy podkreślić, że parametry te, jak również zw i ązane z nimi procesy, nie obejmują wszystkich zachodzących zjawisk oraz wzajemnych uwarunkowań, ale wskazują jedynie na ich złożoność. Z tego też względu zagadnienia właściwości wytrzymałościowych mas formierskich można naświetlić opierając się na idealnej masie formierskiej. Masa taka składa się ze zbioru kul o jednakowej średnicy ułożonych w różny sposób i połączonych materiałem wiążącym. Udział objętościowy Temnt zreal izowano w ramach dzj ałaln osci statutowej, umowa nr :2.

2 218 materiału wiążącego V 6 jest zwykle dużo mniejszy od udziału objętościowego porów Vpor Udział ten przy stykających się kulach zależy od sposobu ułożenia kul tj. od liczby koordynacyjnej LK, a nie zależy od promienia kuli R. Właśc iwości wytrzymałościowe masy formierskiej zależą od wielu czynników, z których decydującymi są: udział objętościowy materiału wiążącego Va i liczba punktów kontaktowych NK w jednostce objętości. Z kolei liczba punktów NK zależy od liczby koordynacyjnej LK i promienia kuli R. Przy zachowaniu stałości wszystkich wymienionych parametrów, wytrzymałość masy modelowej zależy od właściwości kohezyjnaj materiału wiążącego OK, właściwości adhezyjnej cra na granicy faz: kula kwarcowa - materiał wiążący oraz sposobu rozłożenia ciekłego materiału wiążącego na powierzchni kul decydującego o powierzchni styku. Właśc iwości wytrzymałościowe masy modelowej są pochodną właściwości pojedynczego połączenia (układu) : 2 kule kwarcowe - materiał wiążący. Wytrzymałość tego pojedynczego połączenia [1, 2] zależy od parametrów geometrycznych powyższego układu : promienia kuli R, promienia krzywizny p, kąta wypełnienia 'l' oraz parametrów fizykochemicznych układu: wytrzymałości kohezyjnaj OK materiału wiążącego, wytrzymałości adhezyjnej cra na granicy faz: kula kwarcowa - materiał wiążący i sposobu rozłożenia materiału wiążącego na powierzchni kul. W oparciu o zbudowany układ modelowy przeanalizować można wpływ parametrów: R, p, \V i cr K, cra oraz sposobu rozłożenia materiału wiążącego, na wytrzymałość układu odpowiadającą sile (Fkr). niezbędnej do rozerwania modelowego połączenia (2 kule kwarcowe - materiał wiążący). Do obliczenia siły Fkr niezbędna jest znajomosc właściwości wytrzymałościowych OK i cra, wyznaczonych doświadczalnie. Materiały wiążące stosowane powszechnie w masach formierskichi rdzeniowych wykazują, przy przejściu z fazy ciekłej do stałej (np. podczas suszenia, utwardzania). skurcz objętościowy. Skurcz ten jest przyczyną powstawania w materiale naprężeń skurczowych, których wielkość zależy od wymiarów próbki takich jak np. grubość, objętość. Naprężenia skurczowe rzutują na właściwości kohezyjne i adhezyjne (1, 2, 3). Celem niniejszej pracy jest przedstawienie zarysu metodyki określania wytrzymałości modelowego układu : 2 kule kwarcowe - materiał wiążący. Podjęto również próbę wyznaczania stałych fizykochemicznych układu (ok, cra), dla dwóch typów materiałów wiążących. 2. CZĘŚĆ BADAWCZA 2.1. Metodyka określania siły krytycznej Fk, niezbędnej do rozerwania modelowego układu: 2 kule kwarcowe- materiał wiążący Wyniki badań przedstawione w pracy [1) wykazały, że wytrzymałość modelowego układu : 2 kule kwarcowe - materiał wiążący (w stanie utwardzonym lub wysuszonym) odpowiada sile adhezyjno-kohezyjnaj F 1. Oznacza to, że niszczenie układu zachodzi równocześnie w warstewce materiału wiążącego oraz na granicy faz: kula kwarcowa- materiał wiążący. Siła ta jest równa: gdzie: SK' -rzut powierzchni kohezyjnego niszczenia, SA - rzut powierzchni adhezyjnego niszczenia. ok - wytrzymałość kohezyjna materiału wiążącego, cra -wytrzymałość adhezyjna na granicy: kula -materiał wiążący. (1)

3 219 Rozerwanie modelowego układu następuje przy kącie <Pkr przy którym siła F, ma minimum dla <p = <Pkr (2) Wytrzymałość modelowego układu można określić poprzez wyznaczenie siły krytycznej (F~a) analitycznie - rozwiązując równanie (2) lub graficznie [1] oraz obliczjąc powirzchnię niszczenia. W ogólnym przypadku powierzchnia ta jest sumą powierzchni kohezyjnago i adhezyjnego niszczenia. Rysunek 1 ilustruje przebieg adhezyjno-kohezyjnaj siły F 1 od kąta <P na przykładzie mieszaniny bentonitu z wodą (w stanie wysuszonym) - krzywa 1. oraz żywicy z utwardzaczem (w stanie utwardzonym) - krzywa 2. Jak wynika z rysunku 1 obydwie krzywe charakteryzuje występowanie minimum. Minimum to odpowiada sile Fkr niezbędnej do rozerwnia modelowego układu. l tak dla modelowego układu dwóch kul kwarcowych o promieniu R=0,1 x1 0-3 m połączonych mieszaniną bentonitu z wodą, w ilości 0=2,2 cz. wag., wytrzymałość wynosi 5,23x10-2 N. Dwie kule kwarcowe (R=0,1x10-3 m) połączone żywicą z utwardzaczem, w ilości 0=1,95 cz. wag. spoiwa mają wytrzymałość (Fk,)- 25x10-2 N krzywa 1 - Q=2,2 cz. wag; 111=2S" do=2,03x1o' kglm' 0. 1 ~~ ~- -L' ~---+~-~~~~~-~~~~------~~--~.. T.. ; 0+-~--~+-----~~~----~-----~~----~--~~~ o Kąt q>, stopnie Rys.1. Zależność adhezyjno-kohezyjnaj siły F" od kąta <P dla 2 kul kwarcowych połączonych mater i ałem wiążącym : krzywa 1 - mieszanina bentonitu INA z wodą (w stanie wysuszonym), krzywa 2 -żywica B-1 + utwardzacz akadur; R=O, 1 x1 0-3m, F 1 =S' Ko-K + SAcrA

4 Metodyka oznaczania stałych fizykochemicznych wytrzymałości kohezyjnej ak materiału wiążącego, wytrzymałości adhezyjnej aa połączenia: kwarc - materiał wiążący Metodyka oznaczania wytrzymałości kohezyjnaj ak Oznaczanie wytrzymałości kohezyjnej ak przeprowadzono dla dwóch typów materiałów wiążących: - mieszanina bentonitu z wodą (w stanie wysuszonym) o stosunku wodno-glinowym 0,6; do badań użyto bentonitu jugosłowiańskiego INA oczyszczonego przez szlamowanie, - żywica fenolowo-formaldechydowa modyfikowana alkoholem furfurylewym o nazwie handlowej 8-1, z utwardzaczem akadur, o stosunku utwardzaczy do żywicy0,6. Z uwagi na fakt, że obydwa materiały wiążące wykazują po wysuszeniu lub utwardzeniu skurcz, metodyka badań uwzględniała wymiary geometryczne badanych próbek. Próbki do badań wyt~ymałości kohezyjnaj a K mieszaniny bentonitu z wodą stanowiły wysuszone nitki o średnicy $=0,46; 0,58; 0,90 mm. Rysunek 2 przedstawia próbkę do badań wytrzymałości kohezyjnej a K (wysuszoną nitkę bentonitową). Rys.2. Próbka do badań wytrzymałości kohezyjnaj crk wysuszonej mieszaniny bentonitu z wodą (nitki bentonitowej): 1 - nitka bentonitowa, 2 - perełki epoksydowe, 3 ~ uchwyt Badania wytrzymałości kohezyjnaj nitki bentonitowej przeprowadzono poddając je próbie rozciągania przy użyciu dynamometrów o różnych zakresach sił dostosowanych do poszczególnych próbek. Badania mikroskopowe przełomu próbek wykazały, że ich pękanie (rozerwanie) przebiega w miejscu gdzie są zlokalizowane makronieciągłości (pęcherze, ziarna obcego materiału). Dlatego też metodyka badań tego materiału w i ążącego polega ła na wielokrotnym rozciąganiu tej samej nitki, aż do momentu stabilizacji siły rozrywającej, tak by różnice wyników trzech kolejnych pomiarów nie przekraczały 1%. Wyniki badań wytrzymałości kohezyjnej ak (wytrzymałości na rozciąganie) przeprowadzane na nitkach o różnej grubośc i D, ujęto za pomocą funkcji wykładniczej: crk = 35,58e _, 2,reo, (3)

5 221 Badania wytrzymałości kohezyjnaj crk żywicy przeprowadzono na próbkach sporządzonych przez odlewanie do specjalnie zaprojektowanych foremek. Schemat próbki do badania wytrzymałości kohezyjnaj CJK żywicy z utwardzaczem przedstawia rysunek 3. 5 Rys.3. Próbka do badania wytrzymałości kohezyjnej crk z żywicy B-1 z utwardzaczem akadur d=0,25-0,5 Materiał foremek spełniać musiał dwa warunki: 1) nie reagować chemiczniei (lub) fizykochemicznie ze spoiwem, 2) odznaczać się małą przyczepnością do utwardzonego spoiwa. Najlepsze rezultaty uzyskano stosując tworzywo organiczne - teflon. Proces odlewania przeprowadzano dwuetapowo celem wyeliminowania skurczu hamowanego i związanego z tym wzrostu naprężeń własnych. Szerokość próbki równą 5 mm dobrano eksperymentalnie tak, by przy stosowanym zakresie grubości próbek 0,25+0,50 mm można było oddzielić próbkę od foremki bez jej uszkodzenia. Wyniki badań wytrzymałości kohezyjnaj crk (wytrzymałości na rozciąganie) w zależności od grubości próbki hu, ujęto fu nkcją wykładniczą: nu crk -, e (4) Metodyka oznaczania wytrzymałości adhezyjnej aa Oznaczenie wytrzymałości adhezyjnej przeprowadzono badając wytrzymałość na rozciąganie połączenia : kwarc - materiał wiążący, dla dwóch typów materiałów wiążących przedstawionych w p Badanie wytrzymałości na rozciąganie (oa) dla wysuszonej mieszaniny bentonitu z wodą przeprowadzono stosując asymetryczny układ : bentonit - kwarc (rys. 4a), w którym podczas suszenia odprowadzenie wody zachodziło w kierunku normalnym do powierzchni warstewki bentonitu co dawało bardziej powtarzalne wyniki niż układ symetryczny. Rys. 4a. Asymetryczny układ wysuszonego połączenia : bentonit- kwarc: 1 -wysuszona warstewka bentonitu, 2 - płytka kwarcowa

6 222 Plytki kwarcowe służące do wykonania połączenia : bentonit - kwarc dokładnie oczyszczano przez przemywanie wstępnie alkoholem etylowym, a następnie mieszaninią kwasu siarkowego z dwuchromianem potasu. Po kilkukrotnym przemyciu wodą destylowaną osuszano je. Na tak przygotowaną powierzchnię płytki wyciskano przez dyszę o średnicy <jl=o,bo mm warstewkę bentonitową (krążek bentonitowy), a po wysuszeniu (w temp. 383±5 K) przyklejano do niej za pomocą kleju (EPIDIAN 5 + Z-1) drugą płytkę kwarcową. Schemat próbki do badania wysuszonego połączenia: bentonit- kwarc przedstawia rysunek 4b. Rys.4b. Próbka do badania wytrzymałości adhezyjnej CJA wysuszonego połączenia: bentonit - kwarc: 1 - wysuszona warstewka bentonitu, 2 -klej, 3 - uchwyt płytki górnej, 4 - 'półperełka" cynowa, 5 - płytki kwarcowe, 6 -uchwyt płytki dolnej Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie (cra) połączenia : kwarc - bentonit od grubości hs wysuszonej warstewki bentonitu ujęto funkcją: _ g hs cra-, 80 e (5) Badania wytrzymałości na rozciąganie (cra) dla spoiwa, w skład którego wchodziła żywica B-1 z utwardzaczem akadur przeprowadzono na układzie symetrycznym: kwarc - spoiwo - kwarc (rys. 5). Przed przystąpieniem do badań CJA powyższego połączenia oczyszczano powierzchnię płytek kwarcowych w sposób opisany przy mieszaninie bentonitu z wodą. Przedstawione na rysunku 5 próbki do badań wytrzymałości na rozciąganie (cra) połączenia: spoiwo - kwarc sporządzano za pomocą wykonanej specjalnie do tego celu matrycy wykonanej z metakrylanu metylu z wyfrezowanymi szczelinami o wymiarach 10,1 x5,1 mm, dostosowanymi do wymiarów płytek kwarcowych. Próbki do badań CJA sporządza się w ten sposób, że na płytkę kwarcową umieszczoną w szczelinie matrycy nanosi się w osi symetrii kroplę spoiwa, a następnie nakrywa drugą płytką i pozostawia w temperaturze otoczenia przez około 24 godziny. Wyniki badań wytrzymałości CJA połączenia: spoiwo - kwarc, od grubości hu utwardzonej warstewki spoiwa ujęto funkcją: _ ,14hu cra-, e (6)

7 223 Rys.S. Schemat układu: kwarc - spoiwo - kwarc, do badania wytrzymałości adhezyjnej aa: 1 -żywica, ---~2~ 2 - płytki kwarcowe 3. PODSUMOWANIE Analiza wyników obliczeń i doświadczeń przeprowadzonych dla układu modelowego: 2 kule kwarcowe - materiał wiążący (w stanie wysuszonym lub utwardzonym) zdefiniowanego parametrami geometrycznymi - R, p, <p oraz fizykochemicznymi - O'K, aa wykazały, że : - wytrzymałość układu można określić metodą graficzną przez oznaczenie minimum wartości siły (F 1) adhezyjno-kohezyjnaj równej wartości siły krytycznej (Fkr) niezbędnej do rozerwania modelowego połączenia, - metodyka oznaczania wartości wytrzymałości kohezyjnaj (ak) i adhezyjnej (aa) jest uwarunkowana typem materiału wiążącego: dotyczy to metodyki sporządzania próbek do badań, - właściwości wytrzymałościowe ak i a A zależą od grubości wysuszonej (mieszanina bentonitu z wodą) lub utwardzonej (żyw ica z utwardzaczem) warstewki materiału wiążącego, - zależność właściwości O'K i O'A od grubości warstewki (wysuszonej lub utwardzonej) materiału wiążącego można opisać funkcją wykładniczą (równ. 3, 4, S, 6) LITERATURA: [1]Hutera B.: Analiza wpływu wybranych parametrów klasycznych mas formierskich na ich wytrzymałość w stanie wysuszonym. Praca doktorska. Wydział Odlewnictwa AGH. Kraków 1992 [2]Hutera 8.: Strength of the model of moulding core sand system, Zesz. Nauk. AGH. Metallurgy and Foundry Engineering, 1994, vol. 20, no 4, p (3]Hutera B, Lewandowski L., Smyksy K. : Metodyka pomiaru właściwości adhezyjnych spoiw do podłoża kwarcowego, praca nauk. - badawcza, nr Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1993 [4]Hutera 8.: Właściwość kohezyjna spoiwa stosowanego w sypkich masach samoutwardzalnych (SMS). Mat. 11 Sympozjum: Mater i ały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii. Pol. Śląska, Katowice 1995, s [S] Hutera B.:The boundary cases of bonds formatlon and m od es of their destruction. Zesz. Nauk. AGH, Metallurgy and Foundry Engineering 1995, vol. 21, no 3, p

8 224 Some aspects of evaluation methodology ot strength ot the system: quartzbinding material - quartz The strength of the model system of joint between two grains (spheres) linked by the binding material depends on both geometrcal parameters (R, p, ljl) and physico-chemical parameters (ak, cra, 11). In the paper an ontline of evaluation methodology of strength of mentioned above system has been presented. The values of adhesive and cohesive strength for two types of binding materials: bentonile - water mixture (after drying) and resin (after hardening) have been experimentally determined. On the base of analysis of calculation and experimental results the authors have proposad the methodology of strength evaluation of model joint: two grains (spheres) - binding material