NOWA, NIENISZCZĄCA METODA KONTROLI JAKOŚCI ELEMENTÓW FORM WYKONYWANYCH Z MAS ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI

Transkrypt

1 18/5 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 5 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN NOWA, NIENISZCZĄCA METODA KONTROLI JAKOŚCI ELEMENTÓW FORM WYKONYWANYCH Z MAS ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI STRESZCZENIE J. ZYCH 1 Wydział Odlewnictwa; Akademia Górniczo-Hutnicza ul. Reymonta 23, Kraków, Polska W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem techniki ultradźwiękowej do oceny końcowej jakości elementów form wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi. Wykazano, że w oparciu o pomiary ultradźwiękowe można określać: stopień utwardzenia masy w gotowym elemencie formy, równomierność zagęszczenia, gęstość pozorną i wytrzymałość w wybranych miejscach formy lub rdzenia. Badania te mają charakter nieniszczący. Key words: ultrasonic, moulding sand, degree of density, kinetics of setting 1. WPROWADZENIE Jakość odlewów produkowanych w formach piaskowych w większości przypadków zależy głównie od szeroko rozumianej jakości formy. W przypadku form wykonywanych z mas klasycznych-bentonitowych jakość formy powiązana jest z rodzajem masy i stopniem jej zagęszczenia [1,2]. Zagęszczenie nie powinien być zbyt małe, bo to generuje wady kształtu i powierzchni (chropowatość), i nie powinno być za duży, bo zwiększa prawdopodobieństwo powstawania wad pochodzenia gazowego. W przypadku form wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi ich stan (jakość) podlega ciągłym zmianą przez cały okres utwardzania. W początkowym okresie zmiany te są niekiedy bardzo szybki, w miarę upływu czasy stan formy ulega stabilizacji. Proces utwardzania następuje w wyniku reakcji chemicznych i procesów fizycznych związanych z odparowaniem z formy tych substancji, które utrudniają żelowania spoiwa 1 dr inż., jzych@uci.agh.edu.pl

2 133 [3].Najczęściej jest to woda wprowadzana do masy wraz z jej składnikami (piaskiem, spoiwem itp.) lub woda stanowiąca produkt uboczny reakcjichemicznych [3,4].W przypadku niektórych rodzajów mas ze spoiwami, po pewnym okresie od chwili sporządzenia próbek (rdzeni), daje się zaobserwować spadek właściwości technologicznych, obniżenie wytrzymałości. Ogólnie można stwierdzić, że stan elementów form wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi jest niestabilny przez długi okres czasu, niekiedy nawet w całym okresie, od momentu ich sporządzenia do zalania formy metalem. Dlatego formy powinny podlegać ocenie ich technologicznej przydatności. Stan form wykonywanych z mas ze spoiwami to również równomierność zagęszczenia. Wszystkie formy, ale i spora część większych rdzeni wykonywane są przez zagęszczanie ręczne. Jak wykazano to w pracy [5] szereg wad odlewów wywoływana jest niedostatecznym i nierównomiernym zagęszczeniem. Badania nad jakością elementów form powinny obejmować również ocenę stopienia zagęszczenia. Ocena jakości form ze spoiwami z wykorzystaniem dotychczasowych metod jest mało przydatna a niekiedy niecelowa. Stan form ocenia się najczęściej poprzez pomiar twardości ich powierzchni. Mała przydatność tej metody oceny wynika z dwóch zasadniczych powodów: szybkość procesu utwardzania na powierzchni formy i w oddaleniu od tej powierzchni są silnie zróżnicowane [6]. Oznacza to, że na podstawie pomiarów twardości na powierzchni formy trudno jest wnioskować o stopniu utwardzenia masy w głębi formy powierzchnia formy osiąga swoją górną, graniczną wartość twardości ( ~100 +GF+) stosunkowo szybko ( do 40 minut ), a więc w czasie, który jest daleko niewystarczający do osiągnięcia pełnego jej utwardzania [3]. Pomiar twardości powierzchni pozwala oceniać proces utwardzania jedynie w pierwszej jego fazie i tylko w warstwie przypowierzchniowej formy. Stąd teza o małej przydatności tego sposobu oceny form z opisywanych mas. Nowa, nieniszcząca metoda badań mas ze spoiwami oparta jest o technikę ultradźwiękową [6-9].Wykorzystuje się w niej ogólną zależność pomiędzy zdolnością materiału do propagacji fal ultradźwiękowych i jego sprężystością. Proces utwardzania masy wywołuje zwiększania się jej sprężystości. Równocześnie zmniejsza się tłumienia fali ultradźwiękowej i zwiększa prędkość jej propagacji [6-9].Istnienie tych zależności pozwala, w sposób nieniszczący, kontrolować chwilowy stan formy lub rdzenia. Jakość formy z masy ze spoiwem przygotowanej do zalewania to przede wszystkim jej wytrzymałość, stopień utwardzania i równomierność zagęszczenia. Wszystkie właściwości mechaniczne masy w rdzeniu czy formie są ściśle związane z modułem sprężystości: R g =f (E); R m =f(e); R c =f(e). Określając moduł sprężystości, poprzez pomiary wielkości opisujących propagację fali ultradźwiękowej, można z wystarczającym przybliżenie, ocenić wartość każdej z wymienionych wielkości i w ten sposób można ocenić jakość formy.

3 Prędkość fali [m/s] BADANIA WŁASNE 2.1 Metodyka badań ultradźwiękowych Wcześniejsze prace autora dotyczą badań kinetyki utwardzania mas w próbkach umieszczonych w próbniku [6-10].Takie badania wykonywane w laboratorium lub wprost na formierni pozwalają oceniać wpływ różnych czynników na przebieg procesu utwardzania, jego szybkość. Badania przedstawione w niniejszej pracy dotyczą oceny jakości gotowych elementów form piaskowych wykonanych z mas z sp oiwami chemicznymi. Ocena jakości w pełni utwardzonych elementów może mieć różne poziomy. W najprostszym wariancie może być oceniany stopień jednorodności zagęszczenia w obrębie badanego elementu form. W dalszym kroku oceny może być wyznaczana gęstość pozorna w wybranych obszarach rdzenia czy też formy. W wariancie najbardziej zaawansowanym może być określana również doraźna wytrzymałość masy (np. R c ) w rdzeniu, formie. Ocena rozkładu gęstości pozornej i wytrzymałości w elementach formy wymaga przeprowadzenia uzupełniających badań w laboratorium. W badaniach tych, na próbkach o istotnie zróżnicowanej gęstości wyznacza się, dla masy, z której wykonane są również te elementy formy, zależności istniejące pomiędzy gęstości pozorną masy i prędkością fali (ρ o =f(v)) oraz wytrzymałością i prędkością fali (np. R c =f(v)). Niestety każda masa ze spoiwem, z punktu widzenia jej budowy strukturalnej, stanowi niejako odrębny materiał cechujący się innymi zależnościami pomiędzy np. gęstości i właściwościami sprężystymi lub wytrzymałościowymi. Badania propagacji fal w masach ze spoiwami prowadzi się przy użyciu ultradźwiękowych próbników materiału. 2.2 Ocena jednorodności zagęszczenia masy w rdzeniu q= 1554,3*V - 97,313 R 2 = 0, Gęstość pozorna [g/cm 3 ] Rys.1.Zależność pomiędzy prędkością fali i gęstością ρ o w próbkach masy po jej pełnym utwardzeniu ( osnowa Szczakowa, spoiwo- Ekotec 45) Fig 1 Relationship between wave velocity and density o in moulding sand s samples after its full hardening ( matrix Szczakowa, binder Ecotec 45)

4 Odległ. od kształtowej płyty prasującej [mm Odległ. od brzegu [mm] Rys. 2. Rozkład prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w rdzeniu. Fig. 2. Distribution of ultrasonic wave velocity in core. Fizycznym uzasadnieniem możliwości zastosowania metod ultradźwiękowych do badania niejednorodności materiałów są dane eksperymentalne dla różnych materiałów, dla których uzyskano zależność liniową między prędkością rozchodzenia się fal ultradźwiękowych i gęstością pozorną badanego materiału. W pracach autora [11] wykazano istnienie tej, liniowej zależności w klasycznych masach formierskich z bentonitem. Badania zależności pomiędzy gęstością pozorna a prędkością fali w masach ze spoiwami chemicznymi, zgodnie z oczekiwaniem, potwierdziły istnienie liniowej zależności. Dla potwierdzenia możliwości prowadzenia nieniszczących pomiarów pozwalających oceniać jednorodność zagęszczenia, przygotowano próbki rdzenie w kształcie prostopadłościanu o wymiarach 50x200x300mm. Masa w rdzennicy była zagęszczona przez prasowanie schodkową płytą. Stosując kształtową płytę celowo wymuszono niejednorodny stopień zagęszczenia masy w rdzennicy. Po całkowitym utwardzeniu masy wykonanej z żywicą mocznikowo formaldehydową (spoiwo Ekotec45) wykonano pomiary prędkości fali w poszczególnych obszarach rdzenia. Rozkład prędkości fali, który daje pośredni obraz stopnia jednorodności zagęszczenia masy w rdzeniu przedstawia rysunek.2. Wykorzystując wyznaczoną dla tej masy zależności pomiędzy prędkościa rozchodzenia się fali i gęstością pozorną masy V=f (ρ o )

5 136 (rys.1) oraz znając rozkład prędkości fali w poszczególnych przekrojach rdzenia, wykonano mapę rozkładu gęstości w badanym rdzeniu. Pokazuje to rysunek 3. Wykazano w ten sposób, że opierając się na pomiarach ultradźwiękowych, można wyznaczać rozkład gęstości w elementach form z mas ze spoiwami chemicznym. Równomierny rozkład gęstości masy w formie lub rdzeniu jest najczęściej tym najkorzystniejszym przypadkiem, do którego dążą nie tylko technolodzy ale i konstruktorzy urządzeń odlewniczych (strzelarek, nadmuchiwarek itp.). Metoda ultradźwiękowa daje możliwość kontroli jakości produkowanych elementów form dając pośrednio również możliwość oceny pracy urządzeń do wytwarzania tych elementów formy, szczególnie rdzeni. Rys. 3. Rozkład gęstości pozornej w rdzeniu wykonanym z masy ze spoiwem Ekotec 45. Fig. 3. Distribution of aparent density in core made of moulding sand with binder -Ecotec Ocena rozkładu wytrzymałości R c w obrębie rdzenia Wytrzymałość masy formierskiej ze spoiwem zależy od: rodzaju osnowy i rodzaju spoiwa, jego ilości, sposobu przygotowania masy, czasu utwardzania, stopnia zagęszczenia masy. W obrębie elementu formy, w który masa jest całkowicie utwardzona zróżnicowanie wytrzymałości powodowane jest niejednorodnym zagęszczeniem masy. Wytrzymałość podąża za zagęszczeniem, im większa gęstość pozorna tym większa wytrzymałość masy. Masy ze spoiwami chemicznymi charakteryzują się stosunkowo dobrą zagęszczalnością, dlatego między innymi większość form wykonywane jest ręcznie.

6 137 Rys. 4.Zależność pomiędzy prędkością fali i wytrzymałością R c w próbkach masy w pełni utwardzonej. Próbki różnią się stopniem zagęszczenia Fig. 4. Relationship between wave velocity and strenght R c in moulding sand s samples after its full hardening. Samples have different degree of densification. Rys.5. Rozkład wytrzymałości na ściskanie w rdzeniu o różnym stopniu zagęszczenia Fig. 5. Distribution of compression strenght in core with various degree of densification. Praktyka przemysłowa oraz badania autorów [5] wykazują jednak, że szereg wad nie tylko powierzchniowych, ale i wad wewnętrznych powodowane jest niedostatecznym zagęszczeniem i niewystarczającą wytrzymałością masy. Celowym jest więc dążenie do

7 138 wyznaczania wytrzymałości masy w formie w chwili przygotowania jej do zalania metalem. Przeprowadzono badania nad określeniem przydatności do tego celu metody ultradźwiękowej. Badania polegały na wyznaczeniu zależności pomiędzy prędkością fali i wytrzymałością R c. Pomiary prowadzono na próbkach wykonanych z tej samej masy posiadających różny stopień zagęszczenia. Badano masę w stanie po utwardzeniu. Wyniki badań przedstawiono na rysunku 4. Jeśli uwzględni się zależność pomiędzy gęstością i prędkością fali (rys.2), to ogólnie można stwierdzić, że wytrzymałość masy ze spoiwem jest proporcjonalna do stopnia jej zagęszczenia. Istnienie tak prostej zależności ułatwia wyznaczanie charakterystyki związków: R c =f( ρ o ); R c =f (v). Mając wyznaczoną zależność pokazaną na rysunku 4, można w oparciu o rozkład prędkości fali w obrębie rdzenia (lub normy), wykreślić mapę rozkładu wytrzymałości w rdzeniu, formie. Przykład takiego rozkładu wytrzymałości w rdzeniu, wyznaczony opisaną metodyką pokazuje rysunek PODSUMOWANIE Ocena jakości form wykonywanych z mas ze spoiwami jest znacznie trudniejsza niż ocena form wilgotnych. Stopień zagęszczenie masy, który nie tylko w przypadku mas klasycznych decyduje o ich wytrzymałości, ale jak to wykazano na przykładzie w niniejszej pracy, decyduje również o wytrzymałości mas ze spoiwami, jest praktycznie niewyznaczalny tradycyjnymi metodami (np. przez pomiar twardości). Zaprezentowane wyniki badań dowodzą, że technika ultradźwiękowa może być wykorzystana do ogólnej oceny jakości elementów form wykonanych z mas ze spoiwami chemicznymi, przygotowywanych do zalewania. W pracy wykazano, że ocena elementów form może być prowadzona na trzech poziomach: dla określenie jednorodności stopnia zagęszczenia w obrębie formy, czy rdzenia dla określenie wartości gęstości pozornej masy w rdzeniu czy formie. Wymaga to wcześniejszego wyznaczenia charakterystyki związku pomiędzy prędkością fali i gęstością pozorną badanej masy. Zależność ta ma każdorazowo liniowy charakter, co znakomicie ułatwia jej wyznaczenia. dla określenie doraźnej wytrzymałości (np.r c ) w wybranych miejscach rdzenia lub formy. To, podobnie jak przy określaniu gęstości, opiera się o badania uzupełniające niezbędne do wyznaczenia zależności R c =f(v). I ta zależność ma charakter liniowy wtedy, gdy zmiany wytrzymałości są wynikiem zmian gęstości. Pomiary ultradźwiękowe mają charter nieniszczący, dlatego mogą i powinny być stosowane do oceny jakości form. Wyniki takich badań mogą być wykorzystane do wyjaśniania wielu przyczyn powstawania wad odlewniczych, korekty procesu technologicznego, zmiany w konstrukcji oprzyrządowania odlewniczego lub pracy urządzeń stosowanych do wykonywania rdzeni (strzelarki, nadmuchiwarki, itp.).

8 139 LITERATURA [1] Lewandowski J.L.: Materiały formierskie WNT Warszawa [2] Szreniawski J.: Piaskowe formy Odlewnicze WNT Warszawa 1968 [3] Boenisch D. : Das Formmstoffreaktrometer Härtungsüberwachtung von Kaltharzen und Polyurethanbindern Giesserei t.70 (1983), nr 4, s [4] Lemon. B i zespół.; Third report of Institute work ing party T30- Mould and Core Production The Foundryman, (1994) February, s [5] Walter Ch., Seifer W.: Eifluß der Eigenschaften kalhterzgebundener Formstoffe auf vermeidbaren Aufwand in Formerei und Putzerei Giesserei 80 (1993) nr 23, s [6] Zych J.: The setting kinetic of moulding sands with water glass, Acta Metallurgica Slovaca, t.8, (2002), nr 2, s [7] Zych J. : Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem, Zgłoszenie patentowe; P (z dnia ). [8] Zych J.: Ultraschallmethode bei der Verfahrenkontrolle der Bindung chemisch gebundener Formsande Giesserei Rundschau, t.47, (2000), nr 1/2, s [9] Zych J. : Prüfen von kurstharz-und wasserglasgebundenen Formsanden mit der Ultraschallmeth. Giesserei Erfahfungsaust. t.44, (2000), nr 4, s [10] Zych J: Badanie kinetyki wiązania mas formierskich ze spoiwami chemicznymi Archiwum Odlewnictwa,t.1 (2001) nr 1, s [11] Zych J.: Bestimmung der scheinbaren Dichte von Naßformsand mit Ultraschallverfaren Giesserei Rundschau, (1999), Heft 9/10, s Praca finansowana przez KBN w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B NEW, NONDESTRUCTIVE METHOD OF QUALITY INSPECTION OF MOULD S ELEMENTS MADE OF MOULDING SANDS WITH CHEMICAL BINDERS SUMMARY In this work there are presented results of investigations on application the ultrasonic techniques for estimation a final quality of mould s elements made of moulding sands with chemical binders. It has been demonstrated that with an aid of ultrasonic method one can determine: degree of moulding sand s hardening in the prepared element of mould, uniformity of densification, aparent density and strenght of selected places of mould or core. These ultrasonic methods are nondestructive. Recenzował Prof. Józef Gawroński