BADANIE WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH I TECHNOLOGICZNYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH I TECHNOLOGICZNYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH Opracoał: dr inż. Jerzy St. Koalski Krakó 2006 r

Dane ogólne Stan poierzchni suroego odleu, jego gładkość i dokładność ymiaroa uarunkoane są głónej mierze zachoaniem odpoiednio ysokich łasności ytrzymałościoych i technologicznych mas formierskich. Masa formierska stanoi przerobioną określony sposób mieszaninę różnych materiałó formierskich, dobranych odpoiednim stosunku. Ilość i rodzaj materiałó formierskich proadzanych do masy zależą przede szystkim od przeznaczenia masy, czyli od: rodzaju stopu, masy, grubości ścianki i kształtu odleu, ymaganej dokładności ymiaroej, technologii ykonania formy. Masy formierskie można podzielić zależności od: 1. przeznaczenia: na formy dla odleó stalinych, na formy dla odleó żelinych, na formy dla odleó z metali nieżelaznych, 2. zastosoania przy formoaniu: masy formierskie przymodeloe, ypełniające, jednolite, masy rdzenioe, 3. konsystencji: sypkie, ciekłe, 4. stopnia zużycia: yjścioe, odśieżane, obiegoe (użyane), zużyte, 5. składu, 6. jakości. Najyższe ymagania staiane są masom przymodeloym i rdzenioym. Dotyczy to takich łaściości, jak: ogniotrałość, płynność, osypliość i ytrzyma- 2

łość. Jedynie przepuszczalność, przypadku mas przymodeloych, może być niższa niż masy ypełniającej, a ziązane to jest z gładkością poierzchni odleu. Wymogi staiane masie ypełniającej są znacznie niższe porónaniu z masami omaianymi poyżej. Poinna ona posiadać jedynie yższą przepuszczalność ze zględu na konieczność odproadzania iększej ilości gazó na zenątrz formy. Najczęściej jako masę ypełniającą stosuje się masę obiegoą, oczyiście po odpoiedniej przeróbce. Masa jednolita jest masą, której łaściości poinny być zbliżone do masy przymodeloej, z tym jednak, że ymagana jest yższa przepuszczalność. Masa yjścioa jest masą sporządzoną ze śieżych materiałó formierskich. Po ybiciu gotoych odleó z formy mamy do czynienia z masą obiegoą (użyaną). Masą odśieżaną nazyamy masę obiegoą, do której dodano określoną ilość śieżych materiałó formierskich celu utrzymania parametró technologicznych i ytrzymałościoych na odpoiednim poziomie. Podstaoym czynnikiem arunkującym zastosoanie ymienionych rodzajó mas formierskich jest masa odleu. Dla odleó ciężkich i często średnich stosuje się masy przymodeloe i ypełniające, natomiast dla iększości odleó średnich i małych masę jednolitą. Masę formierską sporządza się poprzez dokładne ymieszanie jej składnikó. Ogólnie można stierdzić, że mieszanie mas ma na celu ujednorodnienie składu masy. Stierdzenie to nie dotyczy mas syntetycznych, których skład chodzą: piasek formierski, spoio (glina formierska) i oda. W tym przypadku, oprócz ujednolicenia składu, mieszanie ma na celu dokładne i rónomierne rozproadzenie na poierzchni ziarn piasku mieszaniny gliny z odą oraz połączenie jej z poierzchnią ziarn osnoy. Stosoane są trzy rodzaje mieszarek: skrzydłoe, łopatkoe i krążnikoe. Piersze da typy stosoane są najczęściej do przerobu mas obiegoych, natomiast do przygotoyania mas śieżych, szczególnie przydatnych przy sporządzaniu mas syntetycznych. Mieszarki te realizują boiem trzy elementarne procesy mieszania mas: przerzucanie, ugniatanie, rozcieranie. Proces przerzucania ma na celu ujednorodnienie składu masy, tak aby udział jej składnikó doolnie pobranej objętości był jednakoy. Pozostałe da procesy stanoią uzupełnienie procesu przerzucania. Proces ugniatania yołany jest toczeniem się krążnikó po nailżonej masie z jednoczesnym naciskiem spoodoanym ciężarem krążnikó oraz siłą sprężyn. Rozcieranie yołane jest poślizgiem arst masy z jednoczesnym obrotem ziarn. Umożliia on rónomierne rozproadzenie mieszaniny odno-glinoej i połączenie jej z ziarnami osnoy piaskoej. Na rysunku 1 przedstaiono mieszarkę krążnikoi laboratoryjną, za pomocą której sporządzane są masy przeznaczone do badań na ćiczeniach. 3

Rys. 1 Mieszarka krążnikoi laboratoryjna Istotnym czynnikiem decydującym o łaściościach otrzymanej masy jest czas mieszania. Masy syntetyczne ymagają dłuższego czasu mieszania, potrzebnego do zrealizoania szystkich procesó, o których była moa poyżej, porónaniu z masami, które ymagają tylko procesu przerzucania (np. masy ciekłe). Po ymieszaniu masy należy pozostaić odstojnikach czas odstaania ok. 30 min. Badanie łaściości ytrzymałościoych Celem ćiczenia jest zapoznanie się z metodami i urządzeniami służącymi do określania ybranych łaściości mas formierskich. Podobnie jak i dla innych materiałó konstrukcyjnych określa się podstaoe łaściości ytrzymałościoe, takie jak: ytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie i ścinanie. W zależności technologii formoania i odleania do budoy formy stosuje się różne masy formierskie (rodzaj spoia sposób iązania), dlatego też oznaczenie poszczególnych łaściości określa rónież charakter badanej masy. na przykład: ytrzymałość na ściskanie masy formierskiej stanie ilgotnym opisane R c s R c jest symbolem, na sucho, a masy utardzanej chemicznie. Informują o, s, tym indeksy górne u. W arunkach laboratoryjnych oznaczenie szystkich łaściości ytrzymałościoych mas formierskich ykonuje się na specjalnych kształtkach, sporządzonych za pomocą urządzenia zanego ubijakiem laboratoryjnym oznaczonym symbolem LU, specjalnych foremkach. Standardoy stopień zagęszczenia masy foremce u R c 4

uzyskuje się przez trzykrotne uderzenie ciężarkiem opuszczanym z ysokości określonej przez krzykę ubijaka (praca zagęszczania 9,80665 [J]). Rys. 2 Ubijak laboratoryjny LU z foremką Sporządza się trzy rodzaje kształtek laboratoryjnych: alcoe, ósemkoe i podłużne. Kształtki alcoe - φ 50 ±0,8 [mm], h 50 ±1 [mm], stosoane do oznaczenia ytrzymałości na ściskanie i ścinanie dla szystkich rodzajó mas oraz ytrzymałości na rozciąganie tylko dla mas ilgotnych, Kształtki ósemkoe do oznaczenia ytrzymałości na rozciągani dla mas stanie suchym i mas utardzanych chemicznie, Kształtki podłużne do oznaczania ytrzymałości na zginanie dla szystkich rodzajó mas formierskich Oznaczenie szystkich łaściości ytrzymałościoych oprócz ytrzymałości na zginanie stanie ilgotnym przeproadza się na uniersalnym aparacie typu LRu. Wymaga to zastosoania odpoiednich zestaó szczęk lub uchytó, zamontoanych odpoiednich osiach, umożliiających zmianę zakresu pomiaroego zależności ytrzymałości badanej masy formierskiej. Przebieg ćiczenia Dane ejścioe: Określić pły ilgotności masy formierskiej na badane parametry ytrzymałościoe. Skład masy formierskiej (przykładoy): 5

piasek formierski karcoy o ziarnistości 0,32/0,4/0,056 spoio: o bentonit 4% o dekstryna 2% ilgotność teoretyczna (zakładana): 2, 3, 4% Sporządzić masę formierską (czas mieszania suchych składnikó 6 min, po nailżeniu 10 min), a następnie (bez odstaania) próbki do określonych badań. Jednocześnie należy pobrać próbki masy formierskiej do określenia ilgotności praktycznej (tylko te dane stosoać opracoując dane pomiaroe). Pomiar ilgotności masy formierskiej Pobrać 3 próbki sporządzonej masy formierskiej (naażki po 50 g masy - dokładność do 0,01 g). Naażone próbki masy m metaloych pojemnikach umieścić suszarce laboratoryjnej (fot. 3) czas suszenia 15 min. Rys. 3 Suszarka laboratoryjna Lap-3 Źródłem ciepła są lampy promiennikoe temperatura suszenia ok. 120 0 C. Po ysuszeniu próbki należy ochłodzić ( eksykatorze), a następnie zażyć. Wyniki podstaiamy do zoru: W = (a b)/a *100% gdzie: a masa próbki przed suszeniem (ilgotnej), [g]; b masa próbki po ysuszeniu {g]; 6

Pomiar ytrzymałości na ściskanie R c, Po sporządzeniu próbek alcoych oznaczenie tej łaściości ykonujemy na uniersalnym aparacie typu LRu do badania ytrzymałości mas formierskich (fot. 4). W zależności od ytrzymałości danej masy formierskiej uchyty montujemy osiach odpoiadających optymalnemu zakresoi pomiaroemu. s R c Rys. 4 Uniersalny aparat ytrzymałościoy typu LRu. Widoczna przystaka (szczęki) stosoana najyższym zakresie pomiaroym R c III (masy suche i utardzane) Charakterystyka naszej masy pozala na stosoanie (montaż) zakresu pomiaroego oznaczonego na aparacie symbolem R c I (zakres pomiaroy od 0 1,34 [kg/cm 2 ]. Należy upenić się, że skala pomiaroa, znajdująca się na górnej poierzchni aparatu jest odpoiednio dobrana (oznaczona tym samym symbolem). pomiar ykonujemy na co najmniej trzech próbkach. Z otrzymanych ynikó obliczamy średnią arytmetyczną. Wyniki szystkich pomiaró zamieszczamy oraz odpoiednie obliczenia zamieszczamy arkuszu oceny mas formierskich (patrz załącznik). Rys. 5 Zamocoana próbka masy formierskiej do badań ytrzymałości na ściskanie stanie ilgotnym 7

Na rysunku 5 pokazano zamocoanie przystaki oraz ustaienie próbki badanej masy formierskiej do określenia ytrzymałości na ściskanie stanie R c ilgotnym. Rys. 6 Zamontoana próbka masy formierskiej do badań ytrzymałości na ściskanie stanie suchym lub utardzonej. Natomiast na rysunku 6 pokazano sposób zamocoania przystaki (szczęk) stosoanej najyższym zakresie pomiaroym opisanym na aparacie symbolem R c III ( zakres pomiaroy od 0 20,1 [Kg/cm 2 ]. Wszystkie yniki pomiaroe należy przeliczyć na [MPa]. Badania tej łaściości stanie suchym przeproadzamy na identycznie sporządzonych próbkach i ysuszonych piecu komoroym temperaturze 120 0 C, a następnie schłodzonych eksykatorze. s Pomiar ytrzymałości na ścinanie,, R t R t u R t Podobnie, jak przypadku oznaczania ytrzymałości na ściskanie, pomiar ykonyany jest na próbkach alcoych. Oznaczanie ytrzymałości na ścinanie ykonyane jest na tym samym aparacie (patrz rys. 4) z zastosoaniem specjalnych podstaek (rys. 7). Dobór zakresu pomiaroego zależy od charakterystyki badanej masy formierskiej. Zasady pomiaru, tzn.: ilość ykonanych oznaczeń oraz opracoanie ynikó, identyczne jak przypadku oznaczania ytrzymałości na ściskanie. Należy zasze pamiętać o skasoaniu skazania, po dokonaniu odczytu, a przed ykonaniem następnego pomiaru. Wyniki pisyać kartę oceny łaściości ytrzymałościoych mas formierskich (załącznik). 8

Rys. 7 Pomiar ytrzymałości na ścinanie. Zasada pomiaru (po leej), idok próbki ustaionej do pomiaru (po praej) s Pomiar ytrzymałości na zginanie R g, u R g Oznaczanie ytrzymałości na zginanie mas suchych i utardzonych ykonuje się z ykorzystaniem uniersalnego aparatu LRu (rys. 4). Pomiar tej łaściości ytrzymałościoej ykonyany jest edług klasycznego schematu (rys. 8). Wymagane jest ięc zastosoanie specjalnej podstaki po yborze zakresu pomiaroego (podobnie jak poprzednich pomiarach). Uaga: pamiętać o odpoiednim doborze skali pomiaroej, zgodnej z zakresem pomiaroym i rodzajem próby. Na rysunku 9 przedstaiono próbkę ustaioną uniersalnym aparacie ytrzymałościoym LRu. Rys. 8 Schemat pomiaru ytrzymałości na zginanie dla mas suchych i utardzonych 9

Rys. 9 Próbka ustaiona do pomiaru ytrzymałości na zginanie Przygotoanie próbek do badań tej łaściości jest identyczne, bez zględu, czy mamy do czynienia z masami stosoanymi przy odleaniu na ilgotno, na sucho czy mas utardzanych chemicznie. Do formoania próbek przeznaczonych do badań ytrzymałości na zginanie służą specjalne foremki dzielone (rys. 10). Napełnia się je do ierzchu nadstaki, bez stępnego zagęszczania. Następnie na ubijaku (rys. 11) z zmontoaną odpoiednią stopką, zagęszcza się masę przez trzykrotne uderzenie obciążnikiem (identycznie jak przypadku próbek alcoych). Po zagęszczeniu ścina się nadmiar masy yciągając nożyk, stanoiący yposażenie foremki. Tak przygotoaną próbkę ustaia się na metaloej podstace, która zapobiega przypadkoemu zniszczeniu. Rys. 10 Rozłożona foremka do przygotoyania próbek do badań ytrzymałości na zginanie mas formierskich 10

Rys. 11 Zagęszczanie masy próbce do oznaczania ytrzymałości na zginanie Pomiar ytrzymałości na zginanie R g Ze zględu na to, że masy formierskie stosoane do odleania na ilgotno, są bardzo delikatne (posiadają nieielką ytrzymałość na zginanie) opracoano odmienną metodykę badania tej łaściości. Zasada pomiaru przedstaiona została na rysunku 11. na rysunku 12 pokazano urządzenie do badania ytrzymałości na zginanie mas formierskich ilgotnych. próbka v aparat Rys. 12 Zasada pomiaru ytrzymałości na zginanie mas ilgotnych 11

Rys. 13 Aparat LRg do oznaczania ytrzymałości na zginanie mas stanie ilgotnym Przygotoaną próbkę ustaia się na taśmie nośnej aparatu i przytrzymuje się ją nakładką. Po łączeniu napędu taśmy kształtka ysua się poza kraędź aparatu i po przekroczeniu naprężeń zginających ulega ona złamaniu. Odłamana część kształtki (próbki spada do rynienki, yłączając napęd aparatu. Wytrzymałość na zginanie mas stanie ilgotnym oblicza się g zoru: R g 2 mz = 0,46 m [ MPa] gdzie: m z masa odłamanej części próbki [kg] m masa całkoita próbki [kg] pomiar ykonujemy na minimum 3 próbkach dla każdej masy formierskiej. Wyniki pisać do karty oceny łaściości mas formierskich (załącznik). Opracoanie ynikó tak jak przypadku poprzednich badań. s Pomiar ytrzymałości na rozciąganie, u R r, m R r, m Podobnie jak przypadku oznaczania ytrzymałości na zginanie sposób oznaczania ytrzymałości na rozciąganie różni się zależności od rodzaju badanych mas formierskich. Dla mas stosoanych stanie ilgotnym próbę oznaczania tej łaściości ykonuje się na próbkach alcoych, zaformoanych tulejkach dzielonych. Po zaformoaniu próbki tulejkę mocuje się specjalnym uchycie, który ustaia się określony sposób na uniersalnym aparacie LRu ybierając zakres i skalę pomiaroą. Sposób mocoania tulejki i ustaiania uchytu pokazano na rysunku 14. 12

Rys. 14 Oznaczanie ytrzymałości na rozciąganie dla mas ilgotnych Do oznaczenia ytrzymałości na rozciąganie mas stanie suchym i utardzanych chemicznie przygotouje się tz. próbki ósemkoe (fot. 15). Ich formoanie odbya się, podobnie jak przypadku próbek do zginania, specjalnych dzielonych foremkach (fot. 16). Rys. 15 Próbki ósemkoe do oznaczania ytrzymałości na rozciąganie mas suchych i utardzonych chemicznie Rys. 16 Dzielona foremka do przygotoyania próbek ósemkoych 13

Próbki te montuje się uchycie uniersalnego aparatu LRu ustalając jednocześnie zakres i skalę pomiaroą (rys. 17) Rys. 17 Próbka z masy suchej lub utardzonej chemicznie zamontoana uchycie aparatu LRu Przebieg badania identyczny jak poprzednich oznaczeniach. Wyniki badań należy zamieścić karcie oceny łaściości mas formierskich (załącznik). Badanie łaściości technologicznych Celem tegoż ćiczenia jest zapoznanie się z metodami i urządzeniami służącymi do określania niektórych łaściości technologicznych mas formierskich, a mianoicie: Przepuszczalności: stanie ilgotnym P, stanie suchym PPs, stanie utardzonym u PP Osypliości: stanie ilgotnym S, stanie suchym S s, stanie utardzonym S u, 14

Płynności Pł Oznaczenie przepuszczalności masy formierskiej Przepuszczalność jest to zdolność masy formierskiej do odproadzenia gazó z nęki formy na zenątrz. Do jej określenia przyjmuje się odlenictie spółczynnik przepuszczalności, nazyany przepuszczalnością masy formierskiej i opisany zorem: gdzie: P przepuszczalność [ m ], Pa s 2 V h m P = F p τ Pa s 2 V objętość poietrza przepłyającego przez kształtkę alcoą [m 3 ], h ysokość kształtki [m], F poierzchnia przekroju poprzecznego kształtki alcoej [m 2 ], p ciśnienie poietrza pod kształtką [Pa], τ - czas przepłyu objętości poietrza V przez kształtkę [s]. Do oznaczenia przepuszczalności masy stanie ilgotnym P pomiaru dokonuje się na próbkach alcoych bezpośrednio po ich zaformoaniu (zagęszczeniu) tulejkach, a przed ich yjęciem. Tulejkę raz z próbką zakłada się na głoicę aparatu pomiaroego LPiR2 (fot. 18), ybierając zakres pomiaroy poprzez ustaienie dyszy o odpoiedniej średnicy. Rys. 18 Aparat do oznaczania przepuszczalności mas formierskich LPiR2. Po założeniu tulejki z próbką na głoicę (na górze aparatu) uszczelniamy ją 15

opuszczając dół suak, umieszczony z praej strony aparatu. Odczyt dokonujemy na skali określonej ielkością zastosoanej dyszy. Ustaieni odpoiedniej dyszy, a ięc ybór zakresu pomiaroego, odbya się poprzez przekręcenie głoicy, na którą zakłada się tulejkę z próbką. Można ją ustaić trzech położeniach, oznaczonych: pionoą kreską spradzenie ciśnienia poietrza pod dyszami, plamką o małej średnicy ustaienie dyszy φ 0,5 [mm], plamką o dużej średnicy - ustaienie dyszy φ 1,5 [mm]. Na skali pomiaroej manometru znajdują się trzy podziałki: dolna o zakresie 0 100 [mm H 2 O] do odczytu ciśnienia poietrza pod badaną kształtką, m środkoa o zakresie 1 50 8 2 10 Pa s górna o zakresie 48 2000 10 8 16 m 2 Pa s Aparat uruchamia się przez ciśnięcie klaisza (czeronego na przedniej płycie), co pooduje zapalenie się lampki kontrolnej. Uruchomiona dmuchaa, napędzana silnikiem synchronicznym, spręża poietrze do nadciśnienia 100 [mm H 2 O]. Przed przystąpieniem do oznaczenia należy przeproadzić kontrolę szczelności, ciśnienia i praidłoości skazań aparatu. Oznaczenie przepuszczalności mas stanie suchym bądź utardzonym chemicznie odbya się, podobnie jak przypadku mas ilgotnych, na próbkach alcoych. Jednak dla tych mas próbki należy yciągnąć z tulejki, po ich zaformoaniu, aby poddać je procesoi suszenia lub utardzania. Po przeproadzeniu tych zabiegó, próbki te umieszcza się specjalnych tulejkach, których należy je uszczelnić poprzez tłoczenie poietrza do kołnierza gumoego. Tak przygotoane tulejki umieszcza się dopiero na głoicy aparatu pomiaroego. Zasady pomiaru identyczne jak przypadku poprzednich oznaczeń. Wyniki umieścić należy karcie oceny mas formierskich (zał. 2) Oznaczenie osypliości masy formierskiej Tą łaściość technologiczną masy formierskiej nazya się czasem ścieralnością. Oznaczenie jej ykonuje się na próbkach alcoych, identycznych jak przypadku innych łaściości, za pomocą aparatu LS (fot. 19). Próbkę zażoną z dokładnością do 0,1 [g] układa się na rolkach aparatu, a następnie łącza się nagrzeanie (lampa promiennikoa) i napęd rolek. Wpraiają one ruch obrotoy próbkę, która obraca się z prędkością 1 [obr/s]. Podczas tego procesu następuje ścieranie się zenętrznej arsty masy formierskiej (spada ona do szufladki). Lampa promiennikoa nagrzea badaną próbkę do temperatury 95 0 C. Przed ykonaniem oznaczenia ustaić należy programator na 300 obrotó dla masy ilgotnej i 750

obrotó dla masy suchej lub utardzonej. Po yłączeniu aparatu próbkę należy pononie zażyć. Wyniki podstaić do zoru: S, s, u a b = 100 % a [ ] gdzie: S,s,u osypliość stanie: ilgotnym, s suchym, u utardzonym, a masa kształtki przed oznaczeniem [g], b masa kształtki po ykonaniu oznaczenia [g]. Rys. 19 Aparat do oznaczania osypliości LS. Oznaczenie płynności masy formierskiej metodą H. Dietera Metoda ta polega na pomiarze stopnia odkształcenia (różnicy ysokości) znormalizoanej próbki alcoej, zaformoanej tulejce, pomiędzy czartym a piątym uderzeniem ciężarka ubijaka (rys. 20). Ustaloną ilość masy formierskiej zagęszczamy przez czterokrotne uderzenie ciężarka, następnie na ałek pod uchytem zakładamy obejmę tak, aby dotykała ona czujnika (stopka ubijaka spoczya na próbce). Następnie zerujemy czujnik i uderzamy piąty raz ciężarkiem. Różnicę ysokości odczytujemy na skali czujnika z dokładnością do 0,01 [mm]. Odczytany ynik pomiaru podstaić należy do zoru: Pł = 100 40 x [%] gdzie: Pł płynność masy formierskiej [%], x ubytek ysokości kształtki [mm] 17

Rys. 20 Pomiar płynności. Widoczna objemka dotykająca czujnika Pomiary ykonyać na co najmniej 4 próbkach dla każdej masy formierskiej. Opracoanie spraozdania Spraozdanie z ćiczenia poinno być ykonane zgodnie ze zorem (załącznik) i poinno zaierać: a. krótką charakterystykę podstaoych materiałó i mas formierskich, ze szczególnym uzględnieniem materiałó stosoanych do sporządzenia badanej masy formierskiej, b. przebieg ćiczenia, c. ypełnione arkusze oceny łaściości mas formierskich, d. dyskusję ynikó; podstaą do jej przeproadzenia są yniki obliczeń błędu pomiaru oraz sporządzone ykresy. Obliczenia błędu pomiaru przeproadza się następująco (przykład): gdzie: R t ΣRt = n 18

n ilość ykonanych prób (pomiaró) a = 10%R t b = R t R max Po obliczeniu parametró a i b przyrónujemy je do siebie. Jeżeli a b, óczas stierdzamy, że pomiary zostały przeproadzone praidłoo, jeżeli a < b, tedy zachodzi konieczność potórzenia całej serii pomiaró lub zrobienia co najmniej dóch dodatkoych badań. Należy jednocześnie uzasadnić postanie błędu pomiaroego. t min 19