ODDZIAŁYWANIE WARUNKÓW ATMOSFERYCZNYCH NA STAN WIERZCHNIEJ WARSTWY FORM PIASKOWYCH WYKONYWANYCH Z MAS ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI

Transkrypt

1 78/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN ODDZIAŁYWANIE WARUNKÓW ATMOSFERYCZNYCH NA STAN WIERZCHNIEJ WARSTWY FORM PIASKOWYCH WYKONYWANYCH Z MAS ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI J. ZYCH 1 Wydział Odlewnictwa; Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań zmian właściwości sprężystych i wytrzymałościowych mas ze spoiwami chemicznymi wywołane działaniem warunków atmosferycznych. Badania dotyczą wierzchniej warstwy formy. Wykazana utrata wytrzymałości w wierzchniej warstwie może być wywołana zarówno wtórną hydratacją spoiwa jak i zbyt szybką dehydratacją. Szybkość i zakres zmian zależy od temperatury i wilgotności powietrza. Obniżenie wytrzymałości mas ze szkłem wodnym w zbyt suchym jak i zbyt wilgotnym powietrzu może sięgać 80%. Opracowana ultradźwiękowa metoda [1] pozwala monitorować kinetykę zmian, uzyskiwane wyniki mają duże znaczenie praktyczne. Key words: ultrasonic, moulding sand, surface layers 1.WPROWADZENIE Wierzchnia warstwa form piaskowych decyduje o jakości odlewów, głównie ich powierzchni. Jednakże, bezpośredni kontakt z atmosferę powoduje, że stan tej warstwy często jest niestabilny, a właściwości wytrzymałościowe i technologiczne podlegają wahaniom. W dotychczasowych pracach [2, 3] wskazywano na niekorzystny wpływ nadmiernej wilgotności powietrza na wytrzymałość mas ze szkłem wodnym. Oddziaływanie warunków atmosferycznych należy jednak rozumieć szerzej. Niekorzystne może być również oddziaływanie podwyższonej temperatury przy niskiej wilgotności powietrza. Spora grupa spoiw chemicznych wiąże w wyniku suszenia, 1 dr inż., jzych@agh.edu.pl

2 577 któremu towarzyszy skurcz spoiwa. Zbyt szybkie wysychanie może prowadzi do pękania mostków spoiwa na skutek nadmiernych naprężeń skurczowych. Taki przebieg procesu może wystąpić w masach: cementowych, fosforanowych, ze szkłem wodnym, masach ze spoiwami opartymi na wodorozpuszczalnych solach. Zmieniające się warunki otoczenia w układzie: temperatura i wilgotność powietrza mogą spowodować przyśpieszenie procesu wysychania, zahamować go lub spowodować wtórną hydratację spoiw hydrofilnych. Warunki w formierniach podlegają najczęściej niekontrolowanym zmianom, podążając za ogólnymi zmianami warunków atmosferycznych. Zdarza się jednak, iż są one w pełni kontrolowane jak ma to miejsce przy wykonywaniu form ceramicznych w nowoczesnych odlewniach precyzyjnych. Odsłonięcie powierzchni formy po wyjęcie modelu, rozpoczyna okres bezpośredniego oddziaływania czynników atmosferycznych na jej wierzchnią warstwę. Zmiana wytrzymałości w tym obszarze ma niezmiernie ważna znaczenie. Wiedzy o przebiegu zmian wytrzymałości w wierzchniej warstwie jest niezmiernie uboga. Monitorowanie opisanego procesu w przypowierzchniowych warstwach formy nie było wcześniej prowadzone, głównie z uwagi na brak metody badawczej. Dotychczasowe prace sprowadzają się jedynie do oceny wytrzymałości masy w znormalizowanych próbkach, najczęściej R g w warunkach wysokiej wilgotności powietrza [2, 3]. Badania te nie oddaje jednak rzeczywistego obrazu zmian w wierzchnich warstwach formy (pomiar jest uśredniony wymiarami próbki), a ponadto dotychczasowe badania nie dotyczą warunków niskiej wilgotności powietrza. W pracy przedstawiono wyniki badaniach ultradźwiękowych według opracowanej przez autora metody [1, 4, 5]. Określony został wpływ temperatury i wilgotności powietrza na kinetykę zmiany wskaźników wytrzymałościowych w wierzchnich warstwach form. 2. METODYKA BADAŃ Dla stworzenia możliwości monitorowania zmian w utwardzanych lub utwardzonych masach elementów form poddanych działaniu czynników otoczenia opracowano nową koncepcję badań opartą o technikę ultradźwiękową. Opracowano cienkościenne próbki, które umieszczane są w polu pomiarów ultradźwiękowych dla wyznaczania zmian modułu dynamicznego w trybie on-line. Moduł zmienia się zarówno wtedy, gdy mostki spoiwa uplastyczniają się (np. podczas wtórnej hydratacji) jak i wtedy, gdy ulegają pękaniu (np. na skutek naprężeń). Kształt i wymiary próbki zamieszczono na rysunku 1. Grubość ścianki próbki wynosi 7,0 mm, co przy obustronnym kontakcie jej powierzchni z otoczeniem, stwarza warunki bliskie tym, jakie istnieją w wierzchniej warstwie formy na głębokości do 3,5 mm. W realnej formie w warstwie powierzchniowych ubytek parującego do otoczenia składnika jest częściowo kompensowany cieczą przemieszczającą się wzdłuż kapilar z warstw położonych głębiej. Stąd szybkość procesu wysychania na powierzchni form jest mniejsza niż w opisanej próbce. Otwory w próbce ułatwiają uzyskiwanie jednakowych warunków na zewnątrz próbki i jej środku.

3 578 Próbka pomiarowa jest umieszczana (na okres badań) w komorze klimatycznej, w której kontrolowana jest temperatura i wilgotność powietrza. W krótkich odstępach czasu przez próbkę przesyłana jest fala ultradźwiękowa. W całym okresie pomiarowym, w nieprzerwany sposób zbierane są do pamięci komputera wyniki pomiarów prędkości fali podłużnej, które służą do wyznaczenia wartości zmieniającego się modułu dynamicznego E d. Rys. 1. Próbka do badań ultradźwiękowych w wierzchniej warstwie formy w zmiennych warunkach otoczenia: T- temperatury i W- wilgotności powietrza. Fig 1 Sample for ultrasonic examination of a surface layer of a mould in changing surrounding s conditions: T- air temperature, W air moisture. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1 Badania w warunkach dużej wilgotności powietrza Masy ze spoiwami, które w całości lub częściowo wiążą przez dehydratację są wrażliwe na zwiększoną wilgotność powietrza. Jeśli proces wiązania jest w początkowej fazie, to przy wysokiej wilgotności powietrza może wystąpić jego zahamowanie. Przy dalekim zaawansowaniu procesu utwardzania, wysoka wilgotność powietrza prowadzi do wtórnej hydratacji spoiwa, co powoduje utratę wytrzymałości masy. Zjawisko to występuje głównie w wierzchniej warstwie formy. Wnikanie wilgotnego powietrza w głębiej położone warstwy zależy od wielkości kapilar międzyziarnowych i różnicy prężności pary na powierzchni i w głębi formy. W dotychczasowych badaniach [2, 3] wykazano, że utrata wytrzymałości mas ze szkłem wodnym następuje przy wilgotności względnej powietrza W>60%. Badania ultradźwiękowe pozwalają dokonać weryfikacji wyników tych badań, ich uściślenia i rozszerzenia. Na rysunku 2 pokazano przebiegi zmian prognozowanej wytrzymałości masy przy wilgotności W 50% i temperaturze o C. Wytrzymałość określano w oparciu o pomiar modułu dynamicznego i wyznaczoną dla tej masy zależność R m =f(e d ). W warunkach opisanej wilgotności, przy górnych wartościach zakresu temperatury powietrza, utrata wytrzymałości masy postępuje bardzo szybko. Obniżając temperaturę spowalnia się ten proces. Naturalnie spadki wytrzymałości przy dużej wilgotności powodowane są wtórną hydratacją spoiwa. Nie wszystkie masy są wrażliwe na wysoką wilgotność powietrza. Potwierdzają to wyniki badań masy z żywicą alkidową LT 72. W odróżnieniu od mas ze szkłem wodnym, nie tracą one swojej wytrzymałości w trudnych warunkach atmosferycznych tj. pod działaniem wysokiej wilgotności powietrza (W>60%) przy stosunkowo wysokiej

4 579 jego temperaturze (30 o C). Ta cecha mas alkidowych jest z pewnością ich zaletą. Mas stosowanych w odlewnictwie o właściwościach takich jakie ma masa alkidowa jest naturalnie dużo więcej. Spoiwo: Szkło wodne 145 M=2,5 Utwardzacz: Ester kwasu octowego Osnowa: Szczakowa (d L = 0,294) Skład masy, warunki badań,: - osnowa 1000 g - szkło145-3,50% (wag.), - T = o C, - ρ o = 1,50-1,55 g/cm 3 Rys.2. Wpływ temperatury (przy stałej wilgotności powietrza) na przebieg zmian wytrzymałości R m masy ze szkłem wodnym w wierzchniej warstwie formy. Fig.2. The influence of temperature (with a constant level of air moisture) on the changes of R m of the water glass-bonded moulding sand in the mould surface layer. 3.2 Badania w warunkach małej wilgotności powietrza Obok warunków z nadmierną wilgotności powietrza często występują warunki atmosferyczne, kiedy wilgotność powietrza jest stosunkowo niewielka (W<20%). Praktycznie nie prowadzono dotychczas usystematyzowanych badań nad zachowaniem się mas ze spoiwami chemicznymi w takich warunkach. Suche powietrze przyśpiesza proces dehydratacji spoiwa, szczególnie w warstwie wierzchniej formy. Przy dużym skurczu spoiwa i małej jego plastyczności szybkie narastanie naprężeń skurczowych może prowadzić do pękania mostków, czego skutkiem jest utrata wytrzymałości. Splot tych niekorzystnych właściwości (duży skurcz i kruchość) występuje w spoiwach sporządzanych na bazie szkła wodnego. Podwyższona osypliwość tych mas nasilająca się w okresach letnich (wysoka temperatura i okresowo niska wilgotność powietrza) potwierdza pośrednio zjawisko pękania mostków w warstwie wierzchniej form. Dla weryfikacji opisanej tezy, dotyczącej mechanizmu utraty wytrzymałości w wierzchniej warstwie form, wykonano badania ultradźwiękowe cienkościennych próbek przechowywanych w warunkach niskiej wilgotności powietrza i przy zmianach temperatury w przedziale o C. Badania dotyczyły mas utwardzanych CO 2 lub estrem kwasu octowego. Masy ze spoiwem S-10 utwardzano CO 2. Spoiwo to zawiera o ~ 10% mniej tlenków (SiO 2 +NaO 2 ) niż szkło wodne 145. Próbkę masy, po upływie ~120 minut od przedmuchu CO 2 wyjęto z rdzennicy i umieszczono w komorze pomiarowej z klimatyzowaną atmosferą. W okresie badań utrzymywano temperaturę 30 o C i wilgotność powietrza 15-20%. Przechowywanie masy w tych warunkach

5 580 powoduje początkowo szybki przyrost jej wytrzymałości powodowany parowaniem niezwiązanej wody ze spoiwa. Jednakże, po osiągnięciu maksimum R m, dalsze przechowywanie próbek w opisanych warunkach powoduje stopniową utratę wytrzymałości. Po upływie około 4 godzin wytrzymałość masy spada do poziomu ~20% jej maksymalnej wartości. Obraz zmian wytrzymałości mas utwardzanych CO 2 jest podobny do zmian w masach utwardzanych w procesie estrowym. Zmiany wytrzymałości występuje w masach za szkłem wodnym utwardzanych flodurem 5 pokazano na rysunku 3a. Utrata wytrzymałości masy w wierzchnich warstwach formy powodowana niską wilgotnością powietrza nasila się w miarę podwyższania temperatury otoczenia. Badania mikroskopowe z użyciem elektronowego mikroskopu SEM masy poddanej dehydratacji potwierdzają obecność pęknięć i rozwarstwień w obrębie mostków spoiwa (szkła wodnego), rysunek 3b. Wyniki badań ultradźwiękowych poddano weryfikacji, określając doraźną wytrzymałość masy. W badaniach uzyskano potwierdzenie zarówno fazy wzrostu wytrzymałości masy (przed maksimum) jak drugiej fazy spadku. a/ b/ Rys. 3. Wpływ temperatury (przy stałej wilgotności powietrza W=12-13%) na przebieg zmian wytrzymałości R m masy ze szkłem wodnym w wierzchniej warstwie formy Fig. 3. The influence of temperature (under a constant level of air moisture W=12-13%) on Rm changes on the changes of R m of the water glass-bonded moulding sand in the mould surface layer. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wskazują na złożoność zjawisk, które towarzyszą utwardzaniu mas ze spoiwami chemicznymi. Masy ze spoiwami hydrofilowymi narażone są na dwa odmienne zjawiska: nadmierną (a może tylko zbyt szybką) dehydratację, występującą przy niskiej wilgotności powietrza i wysokiej jego temperaturze oraz na wtórną hydratację spoiwa, jeśli wilgotność powietrza jest wysoka. Oba zjawiska są niekorzystne i niebezpieczne technologiczne: pierwsze - stanowi główną przyczynę nadmiernej osypliwości masy i sprzyja zapiaszczeniu oraz erozji

6 581 form przez ciekły metal, drugie sprzyja tworzeniu wad pochodzenia gazowego (nadmiar wilgoci w wierzchniej warstwie) oraz sprzyja tworzeniu strefy przewilżenia. Wykonane badania potwierdzają dużą przydatność i uniwersalność opracowanej metody badań [1] procesów zachodzących formach piaskowych wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi. Uzyskiwane wyniki pozwalają lepiej poznać, zrozumieć i opisać ilościowo procesy, które występują w tych formach. Niekorzystne skutki badanych zjawisk są znane w praktyce odlewniczej. Znane jest zjawisko narastania osypliwości mas ze szkłem wodnym w okresach letnich i trudności z wiązaniem tych mas w okresach, kiedy wilgotność powietrza jest wysoka. Przeprowadzone badania pokazują, że zjawiska te można opisać ilościowo. Podążając tą drogą myślenia można również określić optymalne warunki otoczenia, w których przetrzymywanie masy nie prowadzi ani do pękania mostków ani też ich osłabiania mostków na skutek hydratacji. Opisana metoda badawcza stwarza takie możliwości. LITERATURA [1] J. Zych: Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem ; Patent P z dnia ). [2] J. Pavlovsky, B. Thomas, E. Brendler, H. Polzin, W. Tilch, R. Skuta, P. Jelinek: Wasserglasgebundene Formstoffe, Gisserei Praxis (2005) nr 1, s [3] R. Skuta, P. Jelinek, F.Misovsky, J. Humpola. Stusek R.: Pojevove soustavy pro dehydratacni pochody vyroby jader na bazi alkalickych silikatu. International Conferece, Czechy, Milovy 2003, s [4] J. Zych: Zastosowanie metody ultradźwiękowej do badania wiązania i twardnienia tworzyw ze spoiwem cementowym, Cement Wapno Beton (2006) nr 1. s [5] J. Zych: Novo metodo ultra-sonico de monitoracao do processo de cura Fundicao e Servicos. (Agosto) nr 128. S Badania wykonana w ramach pracy własnej: Nr EFFECTING OF THE WEATHER CONDITIONS ON THE SURFACE LAYER CONDITION OF MOULDS MADE WITH MOULDING SAND WITH THE CHEMICAL BONDING SUMMARY In the work there are shown the results of research on changes of elastic and durability of water glass-bonded moulding sand. The research concerns a moulding sand surface layer. Presented decrease of durability in the top layer can be caused either by secondary hydration of binder or too fast dehydration. Pace and range of the changes depend on air temperature and moisture. Reduced strength R m glass-bonded moulding sand caused by to dry or to moisture air can to reach 80%. The developed ultrasonic method [1] allows observation of kinetics of the changes and results received this way have practical meaning Recenzował Prof. Józef Gawroński