WPŁYW TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI WYBRANYCH SPOIW FORMIERSKICH

Transkrypt

1 9/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI WYBRANYCH SPOIW FORMIERSKICH B. HUTERA 1, J.L. LEWANDOWSKI 2, K. SMYKSY 3 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W artykule omówiono wybrane właściwości różnych spoiw stosowanych w masach formierskich. Porównano wyniki badań właściwości mechanicznych spoiw uzyskane w temperaturze otoczenia i podwyższonej. Opisano metodykę pomiarów oraz stosowaną aparaturę. Przedstawiono uwagi dotyczące techniki pomiarowej oraz przeprowadzono dyskusję wyników badań. Key words: binder, moulding sand properties 1. WSTĘP Prawidłowe wykorzystanie właściwości materiałów stosowanych w masach formierskich i rdzeniowych ma podstawowe znaczenie dla jakości form i odlewów oraz ograniczenia ilości braków. Złożone oddziaływanie cieplne na masę w układzie odlew-forma ma niewątpliwy wpływ na proces technologiczny. Zmiany pola temperatury w formie mają charakter dynamiczny [5,6]. W formie występują obszary o zróżnicowanej temperaturze. Ze względu na istotną zależność właściwości spoiw stosowanych w masach od temperatury [1,3,5] oddziaływanie cieplne może wywoływać różnorodne skutki, które powinny być uwzględniane w projektowaniu technologii wykonania odlewów. Stosunkowo niewielkie podwyższenie temperatury powoduje istotne zmiany przebiegu zależności: odkształcenie naprężenie spoiw [1,3]. Najczęściej jest to zmiana od kruchego charakteru niszczenia w temperaturze otoczenia do plastycznego w temperaturze podwyższonej. Poniżej opisano wyniki badań wpływu podwyższonej temperatury na właściwości różnych spoiw oraz na wytrzymałość masy z tymi spoiwami. 1 dr 2 prof. dr hab. inż. 3 dr inż., ksmyksy@agh.edu.pl

2 72 2. CHARAKTERYSTYKA BADAŃ ORAZ DYSKUSJA WYNIKÓW W badaniach wykorzystano aparat do badania adhezji i kohezji spoiw [1,2,3] wyposażony w komorę grzewczą z układem stabilizacji temperatury. Zastosowano w nim także dodatkowy zespół pomiaru temperatury składający się z termopary oraz regulatora z układem retransmisji sygnału do systemu komputerowego. System ten umożliwia pomiar temperatury w badanych kształtkach. Szczegółowy opis działania aparatu przedstawiono w pracach [1,3]. Badania spoiw obejmowały pomiary wytrzymałości kształtek wiosełkowych o długości 40 mm i szerokości w miejscu przewężenia od 1 do 6, ich grubość wahała się od 0,1 do 2 mm. Zastosowano trzy spoiwa o następujących składach: a) 100 cz. wag. żywicy EPIDIAN cz. wag. utwardzacza Z-1, b) 100 cz. wag. szkła wodnego ,0 cz. wag. utwardzacza flodur 1, c) 125 cz. wag. żywicy LT cz. wag. utwardzacza PMI-1, Próbki utwardzano w zróżnicowanych warunkach [1,3]. Analizę właściwości badanego spoiwa oparto o wyniki zarejestrowanych przebiegów czasowych siły rozciągającej próbkę, prowadzonych zarówno w temperaturze otoczenia, jak i podwyższonej. Po przetworzeniu wyniki rejestracji można przedstawić przykładowo w formie zależności naprężenia umownego od przemieszczenia względnego (rys. 1). Badania w temperaturze podwyższonej starano się prowadzić w warunkach izotermicznych (czujnik temperatury przylegał do powierzchni próbki). Wybór temperatury badania wynikał z analizy danych literaturowych [1,2,5] oraz wstępnych pomiarów testowych. W celu analizy wpływu podwyższonej temperatury na wartość maksymalnych naprężeń zrywających - σ sporządzano zbiorcze wykresy w układzie σ = f(h); h- grubość próbki. Wybór układu współrzędnych uzasadniają wcześniejsze prace [1,2]. Do opisu funkcji stosowano równania wykładnicze (rys.2). Opisywały one dobrze zależność naprężeń zrywających od grubości dla wszystkich badanych spoiw jedynie w temperaturze otoczenia. W miarę wzrostu temperatury badania wartości- R 2 wyraźnie malały (rys. 2). Jak wynika z rysunków 1, 2 wytrzymałość próbek spoiwa maleje wraz ze wzrostem temperatury. Zaobserwowano wzrost wydłużenia próbek wraz z podwyższeniem temperatury. Obniżenie właściwości sprężystych i wzrost odkształceń plastycznych są widoczne na wykresach z rysunku 1. O ile charakter omawianych zależności dla badanych spoiw organicznych był zgodny z oczekiwaniami, to w przypadku szkła wodnego można było się spodziewać raczej umocnienia spoiwa z podwyższeniem temperatury. Wyjaśnienie zaobserwowanego zjawiska wymaga dalszych badań, także z wykorzystaniem innych technik badawczych [6]. Wykonano również pomiary wytrzymałości kształtek ósemkowych z masy wiązanej badanymi spoiwami (tabela 2). W porównaniu z kształtkami standardowymi miały one zmniejszoną grubość (przeciętnie 7,5 mm).

3 73 1,5 a) Naprężenie σ; MPa 1,0 0,5 t bad =20 o C t bad=50 o C 0, Przemieszczenie względne ε; % 80 b) 14 Naprężenie σ; MPa t bad =20 o C v obc =1mm/min t bad =60 o C v obc =20mm/min Przemieszczenie względne ε; % Rys.1. Naprężenie rozciągające - σ w funkcji przemieszczenia względnego - ε dla próbek: ze szkła wodnego (prędkość obciążania v obc = 5 mm/min.) - a) i żywicy epoksydowej - b); warunki utwardzania: szkło wodne - 20 o C, 100h, epidian o C, 2h. Fig.1. Tensile stress - σ versus relative displacement- ε for sample of water glass (loading velocity v obc = 5 mm/min) - a) and epoxy binder- b); hardening condition: water glass - 20 o C, 100h, epoxy binder- 100 o C, 2h. Początek obciążania kształtki umieszczonej w komorze grzewczej następował po osiągnięciu zadanej temperatury (czujnik temperatury umieszczony był w małym, nieprzelotowym otworze wywierconym w badanej kształtce). Krzywe czasowe zmian naprężenia kształtek z masy były bliskie przebiegom otrzymywanym dla materiałów lepko-sprężystych [1,2]- przy stosunkowo małym udziale spoiwa w masie, odkształcenia kształtek są stosunkowo małe (nawet w podwyższonej temperaturze). Stosowano niewielką prędkość obciążania odpowiadającą pomiarowi o charakterze statycznym. Przykładowe zbiorcze wyniki jednej z serii badań zamieszczono na rysunku 3. Podobnie jak w przypadku badania samych spoiw zaobserwowano tę samą tendencję zmniejszania wytrzymałości kształtek wraz ze wzrostem temperatury. Dotyczyło to także kształtek z masy ze szkłem wodnym. 12

4 74 Spoiwo: LT cz.w., PMI-1-6 cz.w.; próbka: wiosełkowa; warunki utwardzania: t utw. = 50 o C; t utw. = 3 h; temperatura badania: t bad. : 20; 50 o C; prędkość obciążania: v obc. : 5 mm/min Naprężenie σ; MPa σ = 20,9e - 2,05*h R 2 = 0,890 t bad. =20 o C σ = 1,05e 0,47*h R 2 = 0,146 t bad. =50 o C 0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Grubość próbki h; mm Rys. 2. Maksymalne naprężenie rozciągające w funkcji grubości badanych próbek z żywicy alkidowej. Fig. 2. Maximal tensile stress versus thickness of tested samples of alkyd resin. Stosunek wytrzymałości masy badanej w temperaturze otoczenia do wytrzymałości masy badanej w temperaturze podwyższonej przedstawiono w tabeli 1. W celach porównawczych wykonano również badania w temperaturze otoczenia oraz przy użyciu aparatu G. Fischera (z modyfikacją konstrukcji umożliwiającą nagrzewanie dwustronne kształtek) [1]. Ich wyniki potwierdziły ogólne zależności opisane powyżej. Tabela 1. Stosunek wytrzymałości masy w temperaturze otoczenia i podwyższonej (50 o C) Table 1. Ratio between strength of moulding sand in ambient and increased temperature (50 o C) Rodzaj spoiwa w masie Stosunek wytrzymałości - R ot 50 m / R m Epidian 5 3,26 LT-72 1,43 Szkło wodne 1,53 Oddziaływanie temperatury na właściwości spoiw obejmuje również szereg innych właściwości mających duże znaczenie w procesie sporządzania mas i wpływających także na ich właściwości wytrzymałościowe [2,4,5], między innymi lepkość i zwilżalność. Na podstawie szerokich badań [1,2,4] w zakresie wartości temperatury od 10 do 60 o C wykazano ogólną zależność zmiany lepkości spoiwa w funkcji temperatury, spełniającą równanie Arrheniusa.

5 75 Tabela 2. Charakterystyka badanych mas formierskich Table 2. Characteristics of investigated moulding sand Masa ze spoiwem Masa ze spoiwem epoksydowym alkidowym Masa ze szkłem wodnym epidian 5-1 cz.w., Z1-0,1 cz.w. żywica LT-72-1,25 cz.w., PMI-1-0,3 cz.w. szkło wodne- 3 cz.w., flodur- 0,3 cz.w. Osnowa mas: piasek Szczakowa 100 cz.w. warunki utwardzania t utw 100 o C; τ utw. - 2 h; t utw 50 o C; τ utw. - 3 h; t utw 50 o C; τ utw. 0,5 h; R m ; MPa 1,5 1,0 0,5 masa ze spoiwem epoksydowym masa ze spoiwem alkidowym masa ze szkłem wodnym 0, t 2 - t bad. = 50 o bad. = 20 o C C Rys. 3. Wytrzymałość na rozciąganie R m Nr serii badań u R m masy z badanymi spoiwami w temperaturze: 1-20 o C, 2-50 o C ; prędkość obciążania: 1mm/min. u Fig. 3. Tensile strength of sand with tested binders at temperature: 1-20 o C, 2-50 o C ; load velocity: 1mm/min. Zależność kąta zwilżania θ dla różnych spoiw (kropla umieszczona na podkładce kwarcowej) ma malejący charakter wykładniczy [1,2]; natomiast zależność równowagowego kąta zwilżania θ r od temperatury, można opisać równaniem liniowym o ujemnym współczynniku kierunkowym (funkcja malejąca). Badania realizowano na oryginalnych stanowiskach badawczych wykonanych w ramach prac [1,2]. 3. PODSUMOWANIE Stosunkowo niewielki wzrost temperatury wywiera wyraźny wpływ na właściwości badanych spoiw. Znajomość powyższego wpływu powinna być uwzględniana w doborze parametrów procesu technologicznego. Szczególnie istotny jest wpływ temperatury na właściwości mechaniczne masy wiązanej danym spoiwem, bezpośrednio wpływający na jakość wykonanych form i rdzeni. Na podstawie przepro-

6 76 wadzonych badań można stwierdzić różną wrażliwość spoiw na podwyższanie temperatury. Wpływ temperatury na wytrzymałość i odkształcenie kształtek wykonanych z masy wiązanej danym spoiwem ma ten sam kierunek, jak oddziaływanie temperatury na próbki wykonane z samego spoiwa. W prowadzeniu badań w podwyższonej temperaturze ważne jest precyzyjne określenie warunków testów: sposobu nagrzewania, przebiegów czasowych temperatury w przestrzeni komory grzewczej oraz badanej (lub wzorcowej) próbce, prędkości obciążania. Oddziaływanie temperatury na spoiwo jest już wykorzystane pozytywnie. Przykładowo na etapie sporządzania masy podwyższenie temperatury spoiwa, dzięki zmniejszeniu lepkości i poprawie zwilżalności umożliwia uzyskanie masy o lepszych właściwościach technologicznych. Przedstawione wyniki potwierdzają też, jak ważna jest kontrola temperatury spoiwa w procesie sporządzania masy. Opracowano w ramach realizacji projektu badawczego KBN nr 3 T08 A LITERATURA [1] B. Hutera i in.: Badania zjawisk zachodzących w podwyższonych temperaturach w masach wiązanych reprezentatywnymi materiałami organicznymi i nieorganicznymi. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego KBN nr 7 T08A 02421, Wydział Odlewnictwa AGH, 2004 (praca niepublikowana). [2] B. Hutera i in.: Modyfikacja fizykochemiczna spoiw i osnowy stosowanych w masach formierskich. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego KBN nr 3 T08A 02226, Wydział Odlewnictwa AGH, 2005 (praca niepublikowana). [3] B. Hutera, K. Smyksy: Wpływ podwyższonej temperatury na wytrzymałość masy ze spoiwem epoksydowym. Archiwum Odlewnictwa nr 18, 2006, s [4] B. Hutera: High temperature rheological properties of selected foundry binders. Metallurgy and Foundry Engineering no 1, 2003, p. 47. [5] J.L. Lewandowski: Tworzywa na formy odlewnicze. Wyd. Akapit, Kraków 1997 [6] J. Zych: Optymalizacja technologii formy opartej na masach ze szkłem wodnym utwardzanym estrami. Przegląd Odlewnictwa nr 12, 2005, s INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE PROPERTIES OF SELECTED BINDERS USED IN CORE AND MOULDING SAND SUMMARY In the article some properties of selected binders used in core and moulding sand have been described. The results of binders mechanical properties obtained at increased temperature have been compared with test results at ambient temperature. Research methodology and test stands has been also described. Some remarks about measurement techniques and results discussion have been given. Recenzował: prof. dr hab. Mariusz Holtzer