BADANIA DERYWATOGRAFICZNE KOMPOZYCJI GIPSOWYCH STOSOWANYCH NA FORMY GIPSOWE W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM

Transkrypt

1 34/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN BADANIA DERYWATOGRAFICZNE KOMPOZYCJI GIPSOWYCH STOSOWANYCH NA FORMY GIPSOWE W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM M. WIKTORSKI 1, M. PAWLAK 2, Z. NIEDŹWIEDZKI 3 Politechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań derywatograficznych kompozycji gipsowych z udziałem tlenku glinu, węglika krzemu, krzemionki oraz talku. Omówiono rolę jaką spełniają dodatki w tych kompozycjach, zastosowanych jako materiał na formy w odlewnictwie precyzyjnym. Key words: plaster, gypsum, plaster moulds, precision casting, derivatograph. 1. WPROWADZENIE Gips, jako materiał na formy do wykonywania odlewów ze stopów metali o niskiej i średniej temperaturze topnienia posiada wiele niezaprzeczalnych zalet. Jest tworzywem znakomicie odwzorowującym skomplikowane kształty odlewu i zapewnia mu bardzo dobrą dokładność wymiarową oraz gładkość powierzchni [1]. Jest to jednak materiał trudny technologicznie wymagający bardzo starannego przestrzegania wszystkich parametrów w procesie wytwarzania formy. Podstawową przyczyną takiego stanu rzeczy są przemiany fazowe zachodzące w gipsie w czasie wiązania oraz ogrzewania, a także zwartość materiału, powodująca praktyczny brak przepuszczalności gotowej masy [1,2]. W czasie wiązania masa gipsowa zwiększa swoją objętość wskutek przyłączania wody. Podczas ogrzewania masa kurczy się z powodu przemian fazowych, w wyniku 1 mgr inż., mwik@p.lodz.pl. 2 dr inż. 3 dr hab. inż., prof. P.Ł.

2 226 których dwuhydrat CaSO 4 2H 2 O zmienia się kolejno w półhydrat CaSO 4 0,5H 2 O, anhydryt rozpuszczalny III i anhydryt nierozpuszczalny II. Zmiany te łączą się ze zmianą siatki krystalicznej, a więc i gęstością materiału. W zależności od rodzaju gipsu oraz parametrów wygrzewania utrata masy związanego zaczynu gipsowego może osiągnąć wartość nawet 7,83 % [3], a jego skurczliwość liniowa blisko 4,4 % [4]. Złagodzenie skutków przemian fazowych można uzyskać poprzez rozcieńczenie materiału podstawowego (gipsu) dodatkami materiałów obojętnych (np. Al 2 O 3, talk) lub przechodzących przemiany fazowe, w wyniku których ich objętość rośnie (np. SiO 2 ). Dodatkową zaletą takiego rozwiązania może być podniesienie odporności termicznej masy lub, w przypadku dodatków w których przemiany są odwracalne, zwiększenie przepuszczalności [1,2]. Wpływ zawartości domieszek na intensywność przemian fazowych w masie gipsowej zdecydowano się określić metodą analizy termograwimetrycznej. 2. METODYKA I ZAKRES BADAŃ 2.1. Metodyka badań. Badania kompozycji gipsowych prowadzono przy wykorzystaniu derywatografu systemu Paulik-Paulik-Erdey MOM Po analizie wyników badań wstępnych zdecydowano się przyjąć próbkę materiału o możliwie dużej masie, co minimalizowało ewentualne błędy procesu sporządzania mieszanin. Ze względu na pojemność standardowego tygielka masa ta wyniosła 900 mg. Proces prowadzono w czasie 1 h w zakresie temperatur O C przy stałych pozostałych parametrach, a więc: DTG=1/10, DTA=1/15, prędkość nagrzewania v=10 O C/min, czas nagrzewania t=100 min, czułość wagi 100 lub 200 mg. Podczas badania rejestrowano zmiany masy próbki (krzywa TG) oraz szybkość tych zmian (krzywa DTG), a także efekty cieplne towarzyszące przemianom fizycznym lub chemicznym (krzywa DTA). Jako substancji wzorcowej użyto czystego chemicznie Al 2 O 3. Badania wykonano w systemie podwójnym. W razie braku powtarzalności lub przy widocznym wpływie czynników zewnętrznych badania powtarzano Materiał użyty do badań Do badań przyjęto następujące materiały: a) gips autoklawizowany α Hartform HF1firmy Formula [5] o następujących właściwościach: stosunek wodno-gipsowy dla rozpływu ø 120 mm W/G=0,34 początek czasu wiązania t wp =25 min, koniec czasu wiązania t wk =36,30 min, wytrzymałość na zginanie R g = 8,32 Mpa,

3 227 b) tlenek glinu (Al 2 O 3 ) No ,5 %,o następujących właściwościach: skład chemiczny: SiO 2 0,02 % Fe 2 O 3 0,02 % Na 2 O 0,40 % powierzchnia właściwa: (0,7 1,5) 2 m / g straty prażenia ( O C): max 0,3 % temperatura topnienia: 1750 O C ziarnistość: 2,00 μm c) węglik krzemu (SiC) 98,40 % o następujących właściwościach: skład chemiczny: C 0,00 % Si 1,12 % SiO 2 0,46 % gęstość nasypowa 8,00 g 3 / cm d) krzemionka (SiO 2 ) o następujących właściwościach: skład chemiczny: SiO 2 99,15 % Fe 2 O 3 00,09 % Al 2 O 3 00,39 % CaO+MgO 00,25 % Na 2 O+K 2 O 00,08 % temperatura spiekania 1400 O C gęstość 2,61 g 3 / cm e) talk techniczny (Mg 3 H 2 Si 4 O 12 ) o następujących właściwościach: skład chemiczny: SiO 2 (61 63) % MgO (21 31,9) % FeO (1 3) % H 2 O 4 % gęstość: 2,70 g 3 / cm Wyżej wymienione materiały poddano badaniom zarówno w postaci czystej, jak i w odpowiednich mieszaninach. Mieszaniny, o całkowitej masie 1 kg, przygotowano następująco: mieszanie wstępne w homogenizatorze typu LH w czasie 1 h mieszanie dokładne w młynku kulowym w czasie 0,5 h suszenie w temp. 40 O C, 1 h. Czyste składniki, oprócz gipsu, poddano suszeniu w czasie 1 h w temperaturze 105 O C w suszarce komorowej. Czysty gips HF1, ze względu na specyficzne właściwości, suszono w temperaturze 40 O C w czasie 1 h Zakres badań Składy badanych kompozycji przedstawiono w tablicy 1.

4 228 Tabela 1. Zestawienie kompozycji gipsowych stosowanych w badaniach derywatograficznych Table 1. Gypsum composition used in derivatograph investigations Udział poszczególnych składników w Nazwa L.p kompozycji gipsowej, % kompozycji Gips HF1 Al 2 O 3 SiC Talk SiO 2 1. HF Al 2 O HF1 Al 2 O HF1 Al 2 O HF1 Al 2 O SiC HF1 SiC HF1 SiC HF1 SiC Talk HF1 Talk HF1 Talk HF1 Talk SiO HF1 SiO HF1 SiO HF1 SiO BADANIA DERYWATOGRAFICZNE Wyniki badań w postaci wykreślnej (krzywe TG) oraz tabelarycznej przedstawiono na rys OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Z analizy krzywych termograwimetrycznych (rys. 1 4) wynika, że tlenek glinu, węglik krzemu oraz krzemionka w zakresie do 1000 O C, wykazują bardzo niewielkie ubytki masowe, wynoszące odpowiednio 0,22; 0,11; 0,11 %. Są one razy mniejsze od ubytków badanego gipsu Hartform HF1, wynoszących 7,28 %. Oznacza to, że w czasie ogrzewania tych materiałów nie zachodzą praktycznie żadne reakcje chemiczne związane z przyrostem lub zmniejszaniem masy.

5 229 a) K b) Ubytek masy mg % HF1 65,5 7,28 HF1 80% 20% +Al 2 O ,89 HF1 50% 50% +Al 2 O ,89 HF1 20% 80% +Al 2 O Al 2 O 3 2 0,22 Rys. 1. Fig. 1. a) Ubytki masy kompozycji gipsowych o różnej zawartości Al 2 O 3 w funkcji temperatury; a) w postaci wykreślnej, b) zestawienie tabelaryczne. The decreases of mass of plaster compositions about different content Al 2 O 3 in function of temperature: a) graph, b) tabular composition. b) Ubytek masy mg % HF1 65,5 7,28 HF1 80% +SiC 20% 49 5,44 HF1 50% +SiC 50% 22 2,44 HF1 20% +SiC 80% 12 1,33 SiC 1 0,11 Rys. 2. Fig. 2. Ubytki masy kompozycji gipsowych o różnej zawartości SiC w funkcji temperatury; a) w postaci wykreślnej, b) zestawienie tabelaryczne. The decreases of mass of plaster compositions about different content SiC in function of temperature: a) graph, b) tabular composition.

6 230 a) b) Ubytek masy mg % HF1 65,5 7,28 HF1 80% 20% +SiO HF1 50% 50% +SiO ,88 HF1 20% 80% +SiO ,55 SiO 2 1 0,11 Rys. 3. Fig. 3. a) Ubytki masy kompozycji gipsowych o różnej zawartości SiO 2 w funkcji temperatury; a) w postaci wykreślnej, b) zestawienie tabelaryczne. The decreases of mass of plaster compositions about different content SiO 2 in function of temperature: a) graph, b) tabular composition. b) Ubytek masy mg % HF1 65,5 7,28 HF1 80% +Talk 20% 86 9,55 HF1 50% +Talk 50% ,55 HF1 20% +Talk 80% ,22 Talk ,44 Rys. 4. Fig. 4. Ubytki masy kompozycji gipsowych o różnej zawartości talku w funkcji temperatury; a) w postaci wykreślnej, b) zestawienie tabelaryczne. The decreases of mass of plaster compositions about different content talc in function of temperature: a) graph, b) tabular composition.

7 231 Materiały te nie wiążą chemicznie wody, a zatem zmniejszają przyrost objętości masy w czasie jej wiązania, występujący wskutek przemiany półhydratu (α CaSO 4 2H 2 O) w dwuhydrat (α CaSO 4 0,5H 2 O). Analiza krzywej TG gipsu HF1 ogrzewanego w temperaturze do 1000 O C, pozwala stwierdzić, że: - w temperaturze ok. 170 O C dwuhydrat przechodzi ostatecznie w półhydrat (ubytek masy 0,22 %), - w temperaturze ok. 225 O C półhydrat zaczyna przekształcać się w anhydryt III (rozpuszczalny) proces ten zachodzi intensywnie do temperatury ok. 250 O C, a następnie znacznie wolniej do temperatury ok. 425 O C (łączny ubytek masy 5,78 %), - w temperaturze ok. 250 O C, zaczyna równocześnie powstawać anhydryt II (nierozpuszczalny), najpierw bardzo powoli, później, do temperatury 775 O C, znacznie bardziej intensywnie (łączny ubytek masy 7,22 %), - powyżej 775 O C, w badanym materiale, występuje już tylko anhydryt II. Dodatek krzemionki zmniejsza temperaturową kurczliwość związanej masy gipsowej wskutek zwiększenia objętości w czasie przemiany kwarcu β w kwarc α, co przy studzeniu zwiększy jej przepuszczalność. W przypadku talku sytuacja wygląda inaczej. Początkowo ubytki są niewielkie: w temp. 400 O C wynoszą ok. 1%, przy 650 O C jest to 3%. Powyżej tej temperatury utrata masy zwiększa się gwałtownie, osiągając ostatecznie 19,44%. Talk, podobnie jak pozostałe badane materiały, nie przyłącza wody, co jest korzystne w czasie wiązania masy. Podczas prażenia nie spala się i nie spieka. Nie powoduje to zamykania porów w materiale formy, a tym samym poprawia jej przepuszczalność. Dodatek Al 2 O 3, SiC oraz SiO 2 w zakresie do 1000 O C, a talku do 600 O C powoduje zmniejszenie ubytku masy związanej kompozycji, proporcjonalne do ilości wprowadzonego dodatku. 5. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań można stwierdzić, że: - dodatek tlenku glinu, węglika krzemu, krzemionki oraz talku do gipsu, powoduje zdecydowane, proporcjonalne do zawartości, zmniejszenie ubytku termicznego masy takich kompozycji w porównaniu z materiałem zawierającym czysty gips, - specyficzne właściwości krzemionki i talku powinny spowodować zwiększenie porowatości, a więc i przepuszczalności, formy wykonanej z masy z ich udziałem, - dodatek tlenku glinu, węglika krzemu oraz krzemionki, powinien poprawić odporność termiczną związanej masy gipsowej.

8 232 Właściwości badanych materiałów umożliwiają użycie ich jako składnika osłabiającego niekorzystny wpływ przemian fazowych gipsu na zmiany objętościowe gotowej masy, a tym samym poprawiającego dokładności wymiarową i kształtową gotowej formy. LITERATURA [1] J.L. Lewandowski: Tworzywa na formy odlewnicze. Wyd. Akapit, Kraków, 1997 r. [2] K. Akerman: Gips i Anhydryt. PWN Warszawa [3] J. Dweck, E.I.P. Lasota: Quality control of commercial plaster by thermogravimetry. Thermochimica Acta 318, 1998 r. [4] M. Pawlak: Badania technologiczne gipsu autoklawizowanego α GA-12. Archiwum Instytutu Inżynierii Materiałowej P.Ł., 1994 r. [5] Gips Hartform HF1 BPB Formula GmbH D Walkenried Niemcy, marzec 2000 r. DERIVATOGRAPH INVESTIGATIONS OF PLASTER MOULDS COMPOSITIONS FOR PLASTER MOULDS USED IN PRECISION CASTING SUMMARY In this work derivatograms of plaster compositions with aluminium oxide, silicon carbide, silicon dioxide and talc were presented. It was also proved that these additives cause distinct, proportional to the content, decrease of plaster composition mass in comparison with pure gypsum mass. It means that disadvantageous influence of gypsum phase change on moulding mass is reduced and thereby mould dimension and shape accuracy will be improved. Recenzent: prof. dr inż. Tadeusz Olszowski.