43/28 Slidificatin f Metais and Allys, Year 2000, Ylume 2, Bk N. 43 Krzepnięcie Metali i Stpów, Rk 2000, Rcznik 2, Nr 43 PAN- Katwice PL ISSN 0208-9386 KONCEPCJA OKREŚLANIA WYTRZYMAŁOŚCI KOHEZYJNEJ SZKŁA WODNEGO Barbara HUTERA*, Krzysztf SMYKSY*, Andrzej BALIŃSKJ**, Barbara WILKOsz *Akademia Górnicz-Hutnicza w Krakwie, Wydział Odlewnictwa Instytut Odlewnictwa w Krakwie l. Wprwadzenie Szkł wdne jest tanim spiwem nierganicznym stswanym w kraju i za granicą. Ddatkwą jeg zaletą jest mała szkdliwść masy dla tczenia, wadą - zła wybijalnść masy raz duża zasadwść mas wywżnych na składwisk. Z chemiczneg punktu widzenia szkł wdne jest rztwrem wdnym sli sdwej lub ptaswej [l, 2, 3] kwasu rtkrzemweg. W dlewnictwie stswane jest prawie wyłącznie szkł sdwe zawierające zwykle niewielkie ilści szkła ptasweg. Spśród gatunków szkła wdneg prdukwaneg w Plsce dbór teg materiału, jak spiwa d mas, dknywany był w parciu wyniki badań technlgicznych mas, a mdyfikacje jeg właściwści przeprwadzan pd kątem ddatków pprawiających wybijalnść mas [5]. Należy zaznaczyć, że wybijalnść masy plepsza się także wraz ze zmniejszeniem ddatku szkła. Stąd też pdstawwym zadaniem, zmierzającym d zmniejszenia wad dlewów sprządzanych w masach ze szkłem wdnym, pwinn być zmniejszenie jeg zawartści w masie. Pstulat ten mże być zrealizwany przez lepsze wykrzystanie właściwści wiążących teg spiwa w parciu wnikliwe studia nad jeg strukturą. Pglądy dtyczące budwy szkła wdneg, zawarte w pracach [l, 4], pdkreślają złżnść jeg struktury. Zgdnie z nimi szkł wdne stanwi ukł<id klidalny, w którym fazą rzprszną jest uwdnina micela, a fazą rzpraszającą rztwór elektrlitu zawierający jny różneg rdzaju [I, 4]. Zdlnść wiązania ziarn snwy piaskwej ma żel krzeminkwy, będący prduktem reakcji szkła wdneg z utwardzaczem [1]. Właściwści mechaniczne żelu krzeminkweg zależą nie tylk d parametrów szkła wdneg takich, jak np. mduł, gęstść, lepkść, ddatek elektrlitu, ale również d czynników zewnętrznych tj. temperatury i wilgtnści tczenia. W zależnści d wymieninych czynników zewnętrznych układu ulega zmianie stężenie żelu c wpływa najeg właściwści relgiczne. Właściwści żelu przechdzą
264 d właściwści dpwiadających ciałm lepksprężystplastycznym d właściwści charakteryzujących ciała kruche. Birąc pd uwagę pwyższe dane należy płżyć szczególny nacisk na zachwanie stałści temperatury i wilgtnści tczenia pdczas znaczania właściwści mechanicznych raz na ptymalny czas utwardzania. Badania przedstawine w niniejszej pracy bejmują wyniki badań kinetyki ubytku masy tężejąceg spiwa dla dwóch spiw, na pdstawie któreg wyznaczny zstał ptymalny czas badania raz wyniki badań wytrzymałści khezyjnej crk z uwzględnieniem grubści warstewki utwardzneg spiwa. 2. Część badawcza 2.1. Materiały d badań Badania wytrzymałści khezyjnej prwadzn na spiwach składających się ze l 00 części wagwych szkła wdneg, mdyfikwaneg lub wytapianeg, różnych wartściach mdułu M i gęstści p raz z 15 części wagwych flduru l (utwardzacza): spiwi-szkł wdne mdyfikwane; M= 1,95; p= 1500 kfm 3 + fldur l, spiw II- szkł wdne wytapiane; M= 2,30; p = 1500 kg/m + fldur l, 2.2. Metdyka badań wytrzymałści khezyjnej <JK 2.2.1. Metdyka sprządzania próbek d badań <JK Z uwagi na specyfikę badaneg spiwa nie mżna był zaadaptwać metdyki sprządzania próbek pracwanej dla spiw żywicznych [6]. Próbki d teg typu badań dznaczać się pwinny jednrdną strukturą pzbawiną makrnieciągłści raz defektów. Badane spiw wykazywał p utwardzeniu nie tylk defekty strukturalne takie, jak pęcherzyki gazu i karby spwdwane znacznym skurczem materiału, lecz także wydzielaniem się fazy ciekłej, c kmplikwał sprządzanie próbki. Zastswana wstępnie metdyka dlewania spiwa d fremek teflnwych nie dawała zadwalających rezultatów, z uwagi na wyraźny rzdział faz. Przyjęta statecznie metdyka sprządzania próbki bejmwała dwa etapy: w pierwszym, przygtwywan spiw w ten spsób, że d dważneg szkła wdneg (z dkładnścią± 0,0 l g) ddawan prcjami załżną ilść utwardzacza mieszając d 15 d 20 minut (zależnie d gatunku szkła wdneg), aż d utwrzenia hmgenicznej mieszaniny, w drugim etapie uzyskaną mieszaninę wylewan na płaską, gładką płytę teflnwą. Przeprwadzna zstała również seria dświadczeń zmierzająca d ustalenia ptymalnych wymiarów i ksztahów badanych próbek, zapewniających ich niszczenie w bszarze pmiarwym, a nie w uchwytach. Pprzez zróżnicwanie rzprwadzenia ciekłeg spiwa na pwierzchni płyty uzyskiwan różną grubść utwardzneg materiału. Rzprwadzne spiw pzstawian na pwietrzu aż d przejścia ze stanu ciekłeg w stan plastyczny, a
265 następnie wycinan próbki za pmcą wykrjnika dwzrwująceg przyjęty ksztah próbki. Schemat próbki d badania wytrzymałści crk przedstawin na rysunku l. 15 1 20 grubść prbki '? "' ==-W----- 40 Rys. l. Schemat próbki d badań wytrzymałści khezyjnej ak spiwa Fig. l. Schematic representatin f sample fr the determinatin f chesive strength ak f the binder Próbki staran się wyciąć z materiału najmniejszej ilści widcznych defektów strukturalnych lub (w przypadku pewnych gatunków szkła wdneg) z miejsc, w których prwatść rzłżna była równmiernie w całej bjętści materiału. Sprządzne próbki przechwywan w eksykatrze. 2.2.2. Metdyka badania siły rzciągającej F K Wytrzymałść khezyjna crk spiw znaczana była w parciu pmiar siły rzciągającej FK i pwierzchni przełmu SK. Przed przystąpieniem d pmiaru siły FK badan kinetykę ubytku masy!lm (charakteryzującą w przybliżeniu kinetykę utwardzania) dla czterech spiw. Badanie t miał na celu ustalenie ptymalnych czasów utwardzania w danych warunkach pmiarwych (temperatury i wilgtnści tczenia) zapewniających minimalizację rzrzutów pmierznych wartści FK Badania kinetyki ubytku spiw prwadzn za pmcą wagi analitycznej z dkładnścią dczytu± 0,0001 g. Odczyty!lm prwadzn d czasu, p którym zmiana masy (pmiędzy klejnymi dczytami) była nie większa niż ± 0,003 g. D badania użyt specjalnie przygtwaneg naczyńka teflnweg zapewniająceg małą grubść raz stałą pwierzchnię swbdną (Sw = 3,08 x 10 4 m 2 ) tężejąceg spiwa. P ustaleniu ptymalneg czasu utwardzania próbki pddawan sile rzciągającej FK za pmcą aparatu d badania sił adhezji i khezji [6], stsując stałą prędkść przemieszczania ruchmeg uchwytu V = l mm/min. Maksymalna wartść siły FK dczytywana była ze sterwnika aparatu z dkładnścią 0,05 N. W przypadku gatunków szkła wdneg mniejszej wytrzymałści crk dczyty dknywane były ze wskazań elektrnicznej wagi labratryjnej z dkładnścią± O, l g. W celu zwiększenia dkładnści dczytu siły niszczącej wyknany zstał uchwyt d próbki spczywający nieruchm na wadze. Pwierzchnię przełmu próbki SK kreślan p jej zniszczeniu jak ilczyn:
266 SK =hu X du gdzie: - hu jest średnią grubścią utwardznej próbki zmierzną śrubą mikrmetryczną z dkładnścią± 0,01 mm, - du jest szerkścią przełmu zmierzną suwmiarką z dkładnścią± O, l mm. 2.3. Wyniki badań i dyskusja Wyniki badań wytrzymałści khezyjnej ak spiw, przedstawin na przykładzie spiw zawierających szkł wdne, sprządzne dwma metdami: szkł wdne mdyfikwane M = l,95 i p = 1500 kg/m 3 (spiw I - rys. 2) raz szkł wdne wytapiane M = 2,30 i p= 1500 kg/m 3 (spiw II- rys. 3). c Q. b c "" c: "f7 Q).c: -" 4,5 spiw l 4 crk = 6,6495e 2.4597hu 3,5 3 2,5 - <J) 7ó 2 E >. 1,5 R 2 = 0,8416 0,5 0,2 0,4 0,6 0,8 Grubść utwardznej warstewki hu, mm Rys. 2. Wpływ grubści utwardznej warstewki spiwa hu na wytrzymałść khezyjną ak. Skład spiwa (w częściach wagwych): szkł wdne mdyfikwane- 100; fldur l- 15; mduł M = l,95; gęstść p= 1500 kg/m 3 ; temperatura tczenia k. 25 C; prędkść bc iążania V= l mm/min Fig. 2. Thickness f the hardened binder layer hu vs chesive strength ak. Binder cmpsitin (in parts by weight): mdified sdium silicale- 100; fldur l- 15; mdulus M= 1.95; density p= 1500 kg/m 3 ; ambient temperatu re f abut 25 C; lading rate V = l mm/min Badania siły rzciągającej FK przeprwadzan ze stałą prędkścią bciążania V = mm/min w zakresie wartści siły FK [0,60-8,00 N], dla utwardznych próbek grubści hu [0,14-1,30 mm]. Łączna liczba przebadanych próbek sprządznych z czterech spiw
267 wynsiła 188, z czeg d aprksymacji funkcyjnej wybran próbki spełniające kreślne warunki spsbu zniszczenia próbki. Celem zminimalizwania rzrzutów wyników siły FK zbadan kinetykę ubytku masy: L-.m = f(t) dla badanych spiw. Stwierdzn, że największy ubytek masy próbki następuje w pczątkwym kresie utwardzania tj. d 1-2 gdz. d mmentu płączenia bydwu składników spiwa. Natmiast całkwity zanik ubytku masy następwał dpier p 72 h i ten czas utwardzania zastswan pdczas sprządzania próbek d badania siły FK Jak wynika z przedstawinych na rysunkach 2 i 3 zależnści : ak = f(hu), wzrst grubści hu utwardzaneg spiwa pwduje spadek wytrzymałści khezyjnej ak. Wyniki aprksymwan empiryczną zależnścią frmule wykładniczej rr K =A. e - B h., spełniną w badanym zakresie hu [0,2-1,2 mm]. 3 r---------======== spiw 11 crk = 2,6561e 1.2431hu 2 ' 5 ;---<:>-----i R2 = 0,5433 :!E,;e 2 ;------------- c - Q).r:::. 1,5 ;------------- - (/) r E >. s: 0,5 +---------v-----1 0,5 1,5 Grubść utwardznej warstewki hu, mm Rys. J. Wpływ grubści utwardznej warstewki spiwa hu na wytrzymałść khezyjną ak. Skład spiwa (w czę ś ciach wawych): szkł wdne wytapiane- 100; tldur l- 15; mduł M= 2,30; gę s tść p = 1500 kg/m ; temperatura tczenia k. 25 C; prędkść bciążania V= l mm/min Fig.3. Thickness f the hardened binder łayer hu vs chesive strength O' K. Binder cmpsitin (in parts by weight): fused sdium silicale- 100; tldur l - 15; mdulus M.=- 2.30; density p = 1500 kg/m 3 ; ambient temperatu re f abut 25 C; lading rate V = l mm/min Szczegółwe zależnści empiryczne dla spiwa I i II są następujące: rr K = 6,6495 e - 2 459 7-h, współczynnik krelacji R 2 = 0,8416 (spiw l), (l)
268 ak = 2,6561 e - 1 2431 h., współczynnik krelacji R 2 = 0,5433 (spiw II), (2) Zgdnie z definicją wytrzymałści khezyjnej dpwiada na wytrzymałści niezdefektwaneg materiału. Prawdpdbieństw wystąpienia defektów w strukturze materiału jest mniejsze w próbce mniejszej bjętści [7]. Matematycznie dpwiada na granicy, d której zmierza funkcja ak= f(hu), gdy grubść warstewki hu zmierza d zera. Mżna ją zatem utżsamić z wartścią stałej A zależnści (I) i (2). Z prównania aprksymwanych zależnści (1) i (2) wynika, że większą wytrzymałść crk ma mdyfikwane szkł wdne M = 1,95 i p = 1500 kg/m 3 w prównaniu ze szkłem wdnym wytapianym M= 2,30 i p= 1500 kg!m 3. Odstępstwa d teretyczneg przebiegu zależnści crk = f(hu) spwdwane są : )> defektami strukturalnymi -prwatścią próbki spwdwaną zachdzącą reakcją chemiczną, )> naprężeniami skurczwymi wywłanymi znacznym skurczem tężejąceg materiału (zwłaszcza grubych próbek), )> wpływem warunków tczenia (temperatury i wilgtnści tczenia). 3. Zasadnicze wniski Badania wytrzymałści na rzciąganie (khezyjnej) ( crk) utwardznych próbek szkła wdneg, w skład których wchdził: 100 części wagwych szkła wdneg ( różnych wartściach mdułu (M) i gęstści (p)) i 15 części wagwych flduru l, wykazały: l. Znaczny wpływ warunków utwardzania materiału tj. temperatury (t 01 ) i wilgtnści względnej (W w) tczenia raz czasu utwardzania (T) na wytrzymałść ak. Przy zachwaniu stałści parametrów t 0 1 i W w wytrzymałść crk zależy d czasu utwardzania (T), charakterystyczneg dla daneg gatunku szkła wdneg; dla spiw I i II wynsi n pwyżej 72 h. 2. Przeprwadzne badania umżliwiły ustalenie charakteru zależnści pmiędzy wytrzymałścią crk i grubścią próbki w stanie utwardznym (hu): -B h ak = A e " (l) Zgdnie z uzyskanymi zależnściami, graniczna wartść crk dla spiwa I zawierająceg szkł wdne mdyfikwane M= 1,95 i p= 1500 kg/m 3 wynsi k. 6,65 MPa, natmiast wartść ta dla spiwa II zawierająceg szkł wdne wytapiane M = 2,30 i p= 1500 kg/m 3 wynsi k. 2,66 MPa. Literatura l. Lewandwski J.L.: Twrzywa na frmy dlewnicze. Wyd. "Akapit", Kraków 1997. 2. Góerlich E.: Chemia krzemianów. Wydawnictw Gelgiczne, Warszawa 1957. 3. Huwink R., Slmn G.: Adhesin and Adhesives, Elsevier Publishing Cmpany, Amsterdam-Lndn-N.Yrk, vl. l, 1965. 4. Baliński A. : Charakterystyczne parametry struktury spiw krzemianwych, Biuletyn Instytutu Odlewnictwa, 1999, nr l, s. 19-24.
269 5. Hutera B., Lewandwski J.L., Smyksy K.: Metdyka pmiaru właściwści khezyjnych spiw rganicznych, pdzlecenie Instyt. Odl. praca badawcza AGH nr 1.170.79, Kraków 1994. 6. Lewandwski J.L., Smyksy K., Hutera B.: Opracwanie załżeń knstrukcyjnych aparatu d znaczania sił adhezji i khezji, praca n-b AGH nr 1.170.140. 7. Bikerman J.J.: The Science f Adhesive Jints, Acad. Press, New Yrk- Lndn 1961. Praca zrealizwana w ramach prjektów badawczych KBN 7 T08B 001 13 raz 7 T08B 022 14 Recenzwał: prf. dr hab. inż. Jan Lech Lewandwski