Wpływ charakteru chemicznego osnowy i spoiwa na właściwości mas ze spoiwami organicznymi

Transkrypt

1 A R C H I V E S of F O U N D R Y E N G I N E E R I N G Pblished qarterly as the organ of the Fondry Coission of the Polish Acadey of Sciences ISSN (897-33) Vole Special Isse / / Wpływ charakter cheicznego osnowy i spoiwa na właściwości as ze spoiwai organicznyi M. Holtzer a*, D. Drożyński a, A. Bobrowski a, M. Mazr b, B. Isendorf b a AGH Akadeia Górniczo-Htnicza i. S. Staszica, al. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków, Polska b Zakład Odlewniczy MODELFORM Sp. z o.o., l. Ryera, 44-7 Rybnik, Polska *Kontakt korespondencyjny: e-ail: holtzer@agh.ed.pl Otrzyano 6.4.; zaakceptowano do drk.7. Streszczenie W artykle zaieszczono wyniki badań wpływ rodzaj osnowy piaskowej (piasek kwarcowy, chroitowy i oliwinowy) na właściwości as (wytrzyałość R, ścieralność S, przepszczalność P oraz żywotność Ż) przy zastosowani spoiw organicznych o charakterze kwaśny i zasadowy. Najkorzystniejsze właściwości iały asy, w których osnowa i spoiwo iały najbardziej zbliżony charakter cheiczny (piasek kwarcowy i żywica franowa). Natoiast w iarę wzrost różnicy charakter cheicznego osnowy i żywicy właściwości as znacznie pogarszały się i w skrajny przypadk, jaki był kład piasek oliwinowi żywica franowa asa nie zyskiwała nawet inialnych wyaganych paraetrów. Słowa klczowe: Innowacyjne ateriały i technologie odlewnicze; Sypkie asy saotwardzalne; Żywice frfrylowe. Wprowadzenie Przedstawione w artykle badania zostały wykonane w raach projekt celowego realizowanego w Zakładzie Odlewniczy MODELFORM w Rybnik. Cele badań przeysłowych, prac rozwojowych oraz prac wdrożeniowoinwestycyjnych było opracowanie i rchoienie prodkcji wysokojakościowych odlewów ze staliwa anganowego []. W artykle zaieszczono wyniki badań dotyczących dobor as forierskich (osnowy oraz spoiwa organicznego) o podwyższonej odporności na działanie wysokiej teperatry oraz penetrację cheiczną staliwa wysokoanganowego. Przy wykonywani odlewów staliwnych w asach na osnowie piask kwarcowego, który posiada ałą ognioodporność szczególnie wyraźnie występje proble tzw. penetracji cheicznej. Natoiast tylko w niewielki stopni zjawisko to występje przy stosowani jako osnowę asy forierskiej piask chroitowego, cyrkonowego lb oliwinowego []. Efekte tego typ penetracji jest tworzenie się na powierzchni odlew warstewki ocno związanej z tą powierzchnią, której sniecie wyaga znacznego nakład pracy. W przekroj tej warstwy asy widoczne są ziarna kwarc otoczone często szklistą żżlopodobną sbstancją, która wiąże je ze sobą. W warnkach tleniających panjących w forie ciekłe żelazo tworzy tlenek żelaza w stanie ciekły. Tlenek żelaza reagje następnie z krzeionką osnowy asy forierskiej, tworząc ciekły ortokrzeian żelaza (fajalit), wg reakcji : Fe (c) + [O] + SiO = Fe SiO 4(c) lb FeO SiO Czynnikie tleniający ogą być również: para wodna lb CO co przedstawiają reakcje: Fe (sk) + H O (g) = FeO (sk) + H (g) Fe (sk) + CO (g) = FeO (sk) + CO (g) Powstała ciecz zwilża i atakje ziarna kwarc, rozpszczając je i wówczas powiększają się przestrzenie iędzyziarnowe, co sprzyja penetracji etal. Z cieczy tej, począwszy od teperatry 473 K ( o C), krystalizje fajalit. Tworząca się po oziębieni Żelazo w stanie stały lb ciekły nie reagje bezpośrednio z tlenkowyi ateriałai fory odlewniczej. A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e / 69

2 faza stała złożona jest z fajalit i fazy szklistej. Proces spiekania ziaren osnowy kwarcowej oże przebiegać jeszcze w stosnkowo niskiej teperatrze, znacznie poniżej teperatry krzepnięcia stopów żelaza. Obecność innych pierwiastków w stali oże sprzyjać penetracji cheicznej Szczególnie niebezpieczny jest t angan, który łatwo lega tlenieni do tlenk angan MnO, a następnie reagje z krzeionka tworząc krzeiany o niskiej teperatrze topnienia wedłg reakcji [3, 4]: SiO + MnO = MnSiO 3 lb MnO SiO etakrzeian angan, tep. topnienia 564 K (9 o C) SiO + MnO = Mn SiO 4 lb MnO SiO ortokrzeian angan, tep. topnienia 68 K (345 o C) Ciekłe krzeiany zatykają również przestrzenie iędzyziarnowe i ogą haować transport gazów w forie. Ogólnie ożna powiedzieć, że atosfera obojętna lb redkjąca ogranicza penetrację i przyczynia się do eliinowania przypaleń, natoiast atosfera tleniająca potęgje to zjawisko. Inny sposobe zapobiegania przypalenio powstały w wynik reakcji poiędzy składnikai asy forierskiej i ciekłego etal jest zastąpienie piask kwarcowego przez ateriał niej podatny (nie zawierający SiO ) na atak tlenków żelaza czy angan. W ty cel szeroko stosje się piasek chroitowy, cyrkonowy lb oliwinowy (ten szczególnie w przypadk odlewów ze staliwa wysokoanganowego) [5 7]. Jednak jak wykazały badania również i w przypadk piask chroitowego oże wystąpić czasai efekt podobny do zjawiska przypalenia i penetracji opisanych wyżej, zwany stane zeszkliwienia (glazing condition). Przyczyną tego oże być zbyt wysoka zawartość SiO (dopszczalna zawartość w piask chroitowy wynosi,5%) lb inne zanieczyszczenia występjące w piaskach gorszej jakości lb regeneracie (np. przy niezbyt dokładnej separacji agnetycznej piask chroitowego i kwarcowego), co pogarsza ich ognioodporność. Zanieczyszczeniai w piask chroitowy ogą być obce jony [8]: jony, które nie zieniają pierwotnej strktry chroit (ają podobną średnicę, ładnek i objętość) np. jony Al 3+ ogą w sieci krystalograficznej zastępować jony Cr 3+, a jony Mg + i Mn + ogą zastępować jony Fe + ; jony, które nie ogą zastępować jonów w pierwotnej strktrze chroit i szą występować w oddzielnej fazie np. SiO 4-4. Dlatego też obecność krze w składzie cheiczny piask chroitowego oznacza występowanie obcych faz takich jak kwarc lb serpentyn (Mg 6 [(OH) 8 Si 4 O ] (hydrokrzeian agnez), które ogą stapiać ziarna chroit. Przy czy serpentyn, jako krzeian o niższej teperatrze topnienia jest bardziej reaktywny w stapiani ziaren chroit. Przy nagrzewani piask chroitowego główny jego składnik chroit (FeO Cr O 3 ) w teperatrze około 873 K (6 o C) lega rozkładowi na ieszaninę tlenków FeO i Cr O 3, przy czy następje % wzrost objętości. W efekcie tego zjawiska zachodzi pękanie ziaren i pęcznienie. Wówczas ciekły etal oże łatwo penetrować iedzy ziarna piask chroitowego. Dlatego, aby niknąć wystąpienia efekt zeszkliwienia stosjąc piasek chroitowy jako osnowę as forierskich należy żywać piasek świeży lb regenerowany, ale dobrze oczyszczony, szczególnie od krzeionki. Nieniej ważny sposobe zapobiegania tworzeni się przypaleń typ cheicznego jest stosowanie odpowiednich powłok ochronnych na fory i rdzenie np. cyrkonowych. Problee do rozwiązania było opracowanie takiej technologii as forierskich, która zapewniałaby zyskanie dobrych odlewów o wysokiej jakości powierzchni. Stosowana dotychczas technologia oraz powłoki ochronne na fory i rdzenie nie spełniały tego zadania.. Materiały stosowane do badań W Odlewni MODELFORM do wykonywania odlewów ze staliwa stosowane są fory sporządzane z as na osnowie piask kwarcowego z żywicą franową PERMASET 839 (odczyn kwaśny) i twardzacze PERMACAT 3 firy EUROTEK. Układ taki sprzyjał tworzeni się przypaleń na odlewach. Poszkjąc rozwiązania tego proble, zaproponowano następjące scenarisze [9 ]: częściowe (w warstwie przyodelowej) zastąpienie piask kwarcowego przez piasek oliwinowy lb chroitowy przy zastosowani żywicy franowej, żywanej aktalnie w zakładzie; zastosowanie żywicy fenolowo-foraldehydowej (zasadowej) do asy przyodelowej na osnowie piask oliwinowego lb chroitowego; zachowanie aktalnej technologii i zastosowanie powłoki ochronnej na forę. Do badań wytypowano następjące ateriały: Osnowy o różnej zasadowości i ognioodporności: - piasek kwarcowy (stosowany dotychczas w odlewni) (ph = 6,8, teperatra topnienia 67 o C) - piasek chroitowy (ph = 7,, teperatra topnienia 85 o C) - piasek oliwinowy (ph = 8,94, teperatra topnienia 76 o C). Spoiwa o różny odczynie ph: - żywica franowa PERMASET 839 (kwaśna) i twardzacz PERMACAT 3 firy EUROTEK, stosowane aktalnie w odlewni, - żywica fenolowo-foraldehydowa SINOTHERM 846 (zasadowa) i twardzacz Aktivator J firy Hüttenes Alberts. 3. Składy badanych as oraz stosowana etodyka W cel określenia właściwości as :przebadano następjące kłady osnowa spoiwo, Układ. osnowa: piasek kwarcowy cz. as. spoiwo: żywica PERMASET 839 (w zakresie,8 cz. as. do, cz. as.) + twardzacz PERMACAT 3 (w zakresie od,3 cz. as. do,6 cz. as.); 7 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e /

3 Wytrzyałość R, MPa Wytrzyałość R, MPa Układ. osnowa: piasek chroitowy cz. as. spoiwo: żywica PERMASET 839 (w zakresie, cz. as. do, cz. as.) + twardzacz PERMACAT 3 (w zakresie od,5 cz. as. do,6 cz. as.); Układ 3. osnowa: piasek oliwinowy cz. as. spoiwo: żywica PERMASET twardzacz PERMACAT 3 Układ 4. osnowa: piasek kwarcowy spoiwo: żywica SINOTHERM 846 (w zakresie od, cz. as. do,5 cz.) + twardzacz Aktivator J (w zakresie od, cz. as. do o.3 cz. as.) Układ 5. osnowa: piasek oliwinowy cz. as. spoiwo: żywica SINOTHERM 846 (w zakresie od, cz. as. do,5 cz. as.) + twardzacz Aktivator J (w zakresie od, cz. as. do,3 cz. as.); Układ 6. osnowa: piasek chroitowy cz. as. spoiwo: żywica SINOTHERM 846 (, cz. as.) + twardzacz Aktivator J (,3 cz. as.); Badano następjące paraetry as: - wytrzyałość na rozciąganie R ; - ścieralność S; - przepszczalność P ; - żywotność (czas przydatności do forowania) Ż; Masy sporządzano w krążnikowej ieszarce laboratoryjnej typ LM- stosjąc następjącą kolejność wprowadzania składników i czasy ieszania: osnowa piaskowa + twardzacz -,5 inty + żywica,5 inty. Warnki poiarów były następjące: teperatra otoczenia t ot =,, o C, wilgotność względna powietrza W w = 35 38%. 4. Wyniki badań i ich dysksja 4.. Masy wiązane żywicą PERMASET 839 i twardzacze PERMACAT 3 Masy na osnowie czystego piask kwarcowego Wytrzyałość na rozciąganie R Na rys. przedstawiono wpływ czas twardzania na wytrzyałość na rozciąganie dla as na osnowie piask kwarcowego w zależności od ilości dodawanego twardzacza, przy stały dodatk żywicy wynoszący cz. as. Natoiast na rys. zaieszczono zależność tego saego typ, ale przy stały stosnk twardzacza do żywicy (dział żywicy zieniał się od,8 cz. as. do, cz. as., a dział twardzacza od,4 cz. as. do,6 cz. as.).,5,5,5 Rys.. Wpływ czas twardzania na wytrzyałość na rozciąganie R dla as o różny stosnk twardzacza do żywicy (/ż). Skład asy (w cz. as.): piasek kwarcowy -, żywica (ż) Peraset 839,, twardzacz () Peracat 3 3,5,5, Czas twardzania, h Rys.. Wpływ czas twardzania na wytrzyałość na rozciąganie R dla as o różnej zawartości spoiwa przy stały =,3 =,4 =,5 =,6 /ż =,4/,8 /ż =,5/, /ż =,6/, Czas twardzania, h stosnk twardzacza do żywicy /ż,5. Skład asy (w cz. as.): piasek kwarcowy -, żywica (ż) Peraset 839, twardzacz () Peracat 3 Zbyt ała ilość twardzacza w stosnk do żywicy (np.,3:,), jak również zbyt ała zawartość żywicy (poniżej, cz. as.) powodją spadek wytrzyałości na rozciąganie nawet o,5 MPa. Badanie żywotności as Do oznaczenia żywotności została wykorzystana etoda określania zian wytrzyałości wraz z pływe czas odstawienia nie zagęszczonej asy. Jako iarę żywotności w tej etodzie przyjje się czas (licząc od oent zetknięcia się wszystkich składników asy), po który asa traci 3% wytrzyałości w stosnk do aksyalnej ożliwej do zyskania (rys. 3). A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e / 7

4 Wytrzyałość R, MPa Wytrzyałość R, MPa Wytrzyałość R, MPa,5,5 y = -,49x +,3379 R =, Masy wiązane żywicą fenolowo-foraldehydową SINOTHERM 846 i twardzacze Aktivator J Wyniki badań z zastosowanie zasadowej żywicy fenolowoforaldehydowej przedstawiono na rys. 5.,5 Rys. 3. Wpływ czas odstawania niezagęszczonej asy na wytrzyałość na rozciąganie R dla asy o składzie (w cz. as.): piasek kwarcowy -, żywica Peraset 839,, twardzacz Peracat 3,5 Masy na osnowie piask chroitowego Wytrzyałość na rozciąganie Masy na osnowie piask chroitowego wiązane żywicą Peraset 839 wykazją prawie 3-4 krotnie niższą wytrzyałość na rozciąganie niż asy na osnowie piask kwarcowego przy ty say dziale żywicy i spoiwa (rys. 4). Jest to prawdopodobnie spowodowane różnicą odczyn ph żywicy i twardzacza (odczyn wysoce kwasowy) względe odczyn piask kwarcowego (ph=6,8) i chroitowego (ph = 7,). Bardziej zasadowy piasek chroitowy wyaga dodatk większej ilości żywicy i twardzacza. Ponadto piasek chroitowy zawiera znacznie więcej drobniejszej frakcji (,6 i, ) niż piasek kwarcowy oraz praktycznie nie a w ni frakcji grbej (>,63 ), która to frakcja w piask kwarcowy stanowi ponad 9%. Wszystko to przyczynia się do większego zżycia spoiwa, aby zyskać porównywalne właściwości.,5,5 Ż = 5 in. 5 5 Czas odstawania asy, in. p. kwarcowy p. chroitowy,7,6,5,4,3,, Rys. 5. Wpływ czas twardzania na wytrzyałość na rozciąganie R dla as o różnej osnowie. Skład asy: osnowa p. oliw. /ż =,3/, p. oliw. /ż =,3/,5 p. oliw. /ż =,/,5 p. kw. /ż =,3/, p. chro. /ż =,3/, Czas twardzania, h cz. as., żywica (ż) Sinother 846, twardzacz () Aktivator J Najwyższe wartości wytrzyałości na rozciąganie zyskano dla asy na osnowie piask kwarcowego. Również asy na osnowie piask chroitowego wykazywały stosnkowo dżą wytrzyałość na rozciąganie po 4 godzinach, która jednak znacznie spadała po 4 godzinach, osiągając wartość,4 MPa. Natoiast asy na osnowie piask oliwinowego, przy różnych dodatkach żywicy i spoiwa, zyskiwały bardzo ałe wartości wytrzyałości na rozciąganie, rzęd, MPa, które były osiągane jż po godzinach i praktycznie nie zieniały się nawet po 4 godzinach trzyywania. Słabe właściwości technologiczne as na osnowie piask oliwinowego z dodatkie żywicy Sinother 846 zostały potwierdzony w badaniach ścieralności. Masy na osnowie piask oliwinowego wykazywały ścieralność rzęd nawet powyżej 5%. Natoiast asy na osnowie piask kwarcowego i chroitowego iały ścieralność poniżej 5% (rys.6)., Czas twardzania, h Rys. 4. Wpływ czas twardzania na wytrzyałość na rozciąganie R dla as o różnej osnowie. Skład asy (w cz. as.): piasek kwarcowy/piasek chroitowy, żywica Peraset 839,, twardzacz Peracat 3,5 7 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e /

5 Wytrzyałość R, MPa Ścieralność S, % Wytrzyałość R, MPa Rodzaj osnowy p. kw. /ż =,3/, p. chro. /ż =,3/, p. oliw. /ż =,/,5 p. oliw. /ż =,3/,5 p. oliw. /ż =,3/,,35,3,5,,5,,5 Ż = 4,4 in y = -,x +,343 R =, Czas odstawania asy, in. Rys. 6. Wpływ rodzaj osnowy na ścieralność S dla as o składzie: osnowa cz. as., żywica (ż) Sinother 846, twardzacz () Aktivator J Badania w zakresie żywotności as na osnowie piask kwarcowego i oliwinowego wykazały porównywalne wartości tego paraetr dla ob rodzajów as. I tak dla asy na osnowie piask kwarcowego żywotność wynosiła 4,7 inty (rys. 7), a dla asy na osnowie piask oliwinowego 4,4 inty (rys. 8). Rys. 8. Wpływ czas odstawania niezagęszczonej asy na wytrzyałość na rozciąganie R dla asy o składzie (w cz. as.): piasek oliwinowy -, żywica Sinother 846,5, twardzacz Aktivator J, Przepszczalność as na osnowie piask kwarcowego i oliwionwego była porównywalna i wynosiła około 7 x -8 /Pa s. Nieco niejszą przepszczalność wykazywały asy na osnowie piask chroitowego (około 5 x -8 /Pa s).,,8,6,4, Ż = 4,7 in Rys. 7. Wpływ czas odstawania niezagęszczonej asy na wytrzyałość na rozciąganie R dla asy o składzie (w cz. as.): piasek kwarcowy -, żywica Sinother 846,5, twardzacz Aktivator J, y = -,7x +, R =, Czas odstawania asy, in. 5. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań w zakresie dobor as dla odlewów ze staliwa wysokoanganowego, ożna sforłować następjące wnioski:. W przypadk osnowy złożonej z czystego piask kwarcowego najkorzystniej jest stosować dodatek żywicy w ilości, cz. as. oraz twardzacza,5 cz. as. Zwiększenie dodatk żywicy do, cz. as. i twardzacza do,6 cz. as. powodje tylko nieznaczny wzrost wytrzyałości na rozciąganie.. Masa na osnowie czystego piask chroitowego z żywicą franową Peraset 839 wykazje prawie 3- krotnie niejszą wytrzyałość na rozciąganie niż asa na osnowie czystego piask kwarcowego (przy dodatk, cz. as. żywicy i,5 cz. as. twardzacza ay odpowiednio wartości R =,75 i,3 MPa). 3. Ścieralności asy na osnowie czystego piask chroitowego i kwarcowego są porównywalne. 4. Masy na osnowie czystego piask oliwinowego z dodatkie żywicy franowej Peraset 839 praktycznie nie zyskiwały wyaganej wytrzyałości nawet przy zwiększeni dział żywicy i twardzacza. Powode tego jest wysoka zasadowość piask oliwinowego. 5. Zastosowanie żywicy fenolowo-foraldehydowej o charakterze zasadowy daje najwyższe wartości wytrzyałości aso na osnowie piask kwarcowego i chroitowego, przy czy w przypadk piask chroitowego paraetr ten spada gwałtownie po 4 godzinach. Masy na osnowie piask A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e / 73

6 oliwinowego zyskją wytrzyałość na rozciąganie -krotnie niejszą. 6. Również ścieralność asy na osnowie piask oliwinowego z żywicą zasadową jest kilkakrotnie większa od ścieralności asy na osnowie innych piasków. 7. Spośród badanych paraetrów as jedynie przepszczalność wszystkich as z żywicą zasadową na osnowie różnych piasków jest porównywalna. Biorąc pod wagę wyniki zyskane w powyższych badań oraz warnkowania jakie panją w odlewni (rodzaj stosowanych as, regeneracja echaniczna bez ożliwości separacji piask chroitowego i kwarcowego, posiadane wyposażenie) należy przyjąć, że do prodkcji odlewów wysokoanganowych w chwili obecnej najkorzystniejszy rozwiązanie jest pozostanie przy technologii as z żywicą franową na osnowie piask kwarcowego z dodatkie regenerat w ilości do 6% i zastosowanie na fory powłok ochronnych, które zapobiegałyby oddziaływania ciekłego etal (stop wysokoanganowego) z ateriałe fory. Badania zrealizowano w raach projekt celowego Nr ROW III-64/ Literatra [] Raport z projekt celowego Nr ROW III-64/ Zadanie. [] Holtzer, M., Zych, J. & Retel, K. (996). Wpływ wzajenego oddziaływania fory i ciekłego żeliwa na jakość powierzchni odlewów. Przegląd Odlewnictwa. T. 46, Nr 6, s [3] Holtzer, M. (99). Badanie echaniz i stopnia wzajenego oddziaływania ciekłego staliwa Hadfielda i asy forierskiej. Zeszyty Nakowe AGH Metalrgia i Odlewnictwo. 4. [4] Holtzer, M. (March 99). The Fondryan. s [5] LaFay, V.S., Neltner, S.L. (). Bonding properties in Olivine Sand. AFS Transactions. Paper -5, pp [6] LaFay, V.S., Neltner, S.L. (995). Opti se of Preblend for Olivine Sand Syste Using Experiental Design. AFS Transactions. v. 3. [7] Aycardi, Krysiak, Martin, Frigo. (Jly 9). Sand Lab to the Resce. Modern Casting. [8] Capbell, J. (). Coplete Casting Handbook. Elsevier Ltd. [9] Prospekty reklaowe firy InCast SIBELCO NORDIC. [] Prospekty reklaowe firy EUROTEK. [] Katalog wyrobów firy Httenes Alberts. Abstract Inflence of the cheical character of a sand grains and binder on properties of olding sands with organic binding agents The reslts of investigations of the kind of the sand grains (high-silica, chroite and olivine sand) on olding sands properties when organic binding agents of an acidic and basic character were applied, are given in the paper. Molding sands, in which a sand grains and binding agent were of a siilar cheical character (high-silica sand and fran resin), exhibited the best qalities. As the difference of the cheical character of the sand grains and binder was increasing the properties of olding sands significantly worsened. In the extree case, which constitted the syste: olivine sand and fran resin the olding sand did not reach even the ini of the reqired paraeters vales. 74 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l e, S p e c i a l I s s e /