INSTYTUT ODLEWNICTWA

INSTYTUT ODLEWNICTWA PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LI Numer 1 SPIS TREŚCI 1. TOMASZ REGUŁA, JERZY J. SOBCZAK, JERZY MORGIEL, PIOTR DUDEK, PIOTR DŁUGOSZ: Wpływ ciśnienia prasowania na charakterystyki mikrostrukturalne stopu AlSi7Mg... 2. JAN PIELICHOWSKI, JERZY J. SOBCZAK, ZDZISŁAW ŻÓŁKIEWICZ, EDYTA HEBDA, ALEKSANDER KARWIŃSKI: Analiza termiczna polistyrenowego modelu odlewniczego... 3. MARIA ŻMUDZIŃSKA, JANUSZ FABER, KATARZYNA PERSZEWSKA, ZDZISŁAW ŻÓŁKIEWICZ, ZBIGNIEW MANIOWSKI: Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego w procesie lost foam w aspekcie środowiska pracy... 4. MAŁGORZATA WARMUZEK: Ewolucja mikrostrukturalna podczas przemiany perytektycznej: L+ Al 6 Mn(Fe) α-al + α(almnfe)si w stopach AlFeMnSi... 5 15 23 35

Wydawca: INSTYTUT ODLEWNICTWA KOLEGIUM REDAKCYJNE: Jerzy Józef SOBCZAK (Redaktor Naczelny), Andrzej BALIŃSKI (Z-ca Redaktora Naczelnego), Andrzej BIAŁOBRZESKI, Zbigniew GÓRNY, Stanisława KLUSKA-NAWARECKA, Natalia SOBCZAK, Józef Szczepan SUCHY, Joanna MADEJ (Sekretarz Redakcji) KOMITET NAUKOWY: Rajiv ASTHANA (USA), Józef DAŃKO, Ludmil DRENCHEV (Bułgaria), Natalya FROUMIN (Izrael), Edward GUZIK, Marek HETMAŃCZYK, Mariusz HOLTZER, Werner HUFENBACH (Niemcy), Jolanta JANCZAK-RUSCH (Szwajcaria), Olga LOGINOVA (Ukraina), Enrique LOUIS (Hiszpania), Luis Filipe MALHEIROS (Portugalia), Tadeusz MIKULCZYŃSKI, Sergei MILEIKO (Rosja), Kiyoshi NOGI (Japonia), Władysław ORŁOWICZ, Alberto PASSERONE (Włochy), Stanisław PIETROWSKI, Wojciech PRZETAKIEWICZ, Pradeep Kumar ROHATGI (USA), Sudipta SEAL (USA), Jan SZAJNAR, Michał SZWEYCER, Roman WRONA, Paweł ZIĘBA Publikowane artykuły były recenzowane Projekt okładki: ENTER GRAF, Kraków Skład komputerowy: Patrycja Rumińska Korekta wydawnicza: Marta Konieczna, Anna Samek-Bugno ADRES REDAKCJI: Prace Instytutu Odlewnictwa 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73 tel. (12) 261-83-81, fax (12) 266-08-70 http://www.iokrakow.pl e-mail: jmadej@iokrakow.pl Copyright by Instytut Odlewnictwa Żadna część czasopisma nie może być powielana czy rozpowszechniana bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich Printed in Poland ISSN 1899-2439

FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE Volume LI Number 1 CONTENTS 1. TOMASZ REGUŁA, JERZY J. SOBCZAK, JERZY MORGIEL, PIOTR DUDEK, PIOTR DŁUGOSZ: Effect of squeeze pressure on microstructural characteristics of the AlSi7Mg alloy... 2. JAN PIELICHOWSKI, JERZY J. SOBCZAK, ZDZISŁAW ŻÓŁKIEWICZ, EDYTA HEBDA, ALEKSANDER KARWIŃSKI: The thermal analysis of polystyrene foundry model... 3. MARIA ŻMUDZIŃSKA, JANUSZ FABER, KATARZYNA PERSZEWSKA, ZDZISŁAW ŻÓŁKIEWICZ, ZBIGNIEW MANIOWSKI: Comparative studies of the chemical composition of goldsmith objects from the collection of regional museum in Torun... 5 15 23 4. MAŁGORZATA WARMUZEK: Microstructure evolution during peritectic L + Al 6 Mn(Fe) α-al + α(almnfe)si process in AlFeMnSi alloys..... 35

Editor: FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE EDITORIAL BOARD: Jerzy Józef SOBCZAK (Editor-in-Chief), Andrzej BALIŃSKI (Assistant Editor), Andrzej BIAŁOBRZESKI, Zbigniew GÓRNY, Stanisława KLUSKA-NAWARECKA, Natalia SOBCZAK, Józef Szczepan SUCHY, Joanna MADEJ (Secretary) SCIENTIFIC COMMITTEE: Rajiv ASTHANA (USA), Józef DAŃKO, Ludmil DRENCHEV (Bulgaria), Natalya FROUMIN (Israel), Edward GUZIK, Marek HETMAŃCZYK, Mariusz HOLTZER, Werner HUFENBACH (Germany), Jolanta JANCZAK-RUSCH (Switzerland), Olga LOGINOVA (Ukraine), Enrique LOUIS (Spain), Luis Filipe MALHEIROS (Portugal), Tadeusz MIKULCZYŃSKI, Sergei MILEIKO (Russia), Kiyoshi NOGI (Japan), Władysław ORŁOWICZ, Alberto PASSERONE (Italy), Stanisław PIETROWSKI, Wojciech PRZETAKIEWICZ, Pradeep Kumar ROHATGI (USA), Sudipta SEAL (USA), Jan SZAJNAR, Michał SZWEYCER, Roman WRONA, Paweł ZIĘBA The articles published herein have been reviewed Graphic Design: ENTER GRAF, Kraków Computer Typesetting: Patrycja Rumińska Proofreading: Marta Konieczna, Anna Samek-Bugno EDITORIAL OFFICE: Transactions of Foundry Research Institute 30-418 Cracow, 73 Zakopianska Street tel. +48 (12) 261-83-81, fax +48 (12) 266-08-70 http://www.iokrakow.pl e-mail: jmadej@iokrakow.pl Copyright by Instytut Odlewnictwa No part of this publication may be reproduced or distributed without the written permission of the copyright holder Printed in Poland ISSN 1899-2439

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LI Rok 2011 Zeszyt 1 WPŁYW CIŚNIENIA PRASOWANIA NA CHARAKTERYSTYKI MIKROSTRUKTURALNE STOPU AlSi7Mg EFFECT OF SQUEEZE PRESSURE ON MICROSTRUCTURAL CHARACTERISTICS OF THE AlSi7Mg ALLOY Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badania wpływu ciśnienia zewnętrznego, wywieranego na metal w procesie prasowania w stanie ciekłym (squeeze casting), na strukturę stopu AlSi7M Otrzymane rezultaty uzupełniono testami zwartości strukturalnej oraz badaniami twardości. Próbki do badań uzyskano na drodze odlewania badanego stopu AlSi7Mg do formy metalowej pod zróżnicowanym ciśnieniem, odpowiednio 0,1 (atmosferyczne), 75 i 150 MPa, wykorzystując prasę hydrauliczną typu PHM 160 Zaobserwowano znaczący wpływ ciśnienia na średni rozmiar ziarna, a także na poziom twardości próbek, co świadczy o celowości stosowania metod ciekło-fazowych z wykorzystaniem ciśnienia zewnętrznego w aspekcie podniesienia właściwości wytwarzanych odlewów. Słowa kluczowe: ciśnienie zewnętrzne, proces prasowania w staniem ciekłym, badania twardości, metody ciekło-fazowe Abstract The paper presents the results of studies on the effect of external pressure, applied on metal during squeeze casting process, on the structure of AlSi7Mg alloy. The obtained results were completed with examinations of structure compactness and hardness tests. The specimens for tests were obtained by casting the tested AlSi7Mg alloy to a die under different pressures, i. 0.1 (atmoshpheric pressure), and 75 and 150 MPa, using a hydraulic press of PHM 160c typ A significant effect of pressure on the average grain size and hardness of the samples was stressed, thus demonstrating the usefulness of liquid-phase methods with application of external pressure in improvement of the properties of castings produce Key words: external pressure, squeeze castring process, squeeze casting, liquid-phase methods 5

Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Prace IO Wstęp Obecnie zauważyć można tendencję do zwiększania obciążeń konstrukcji, przy jednoczesnym obniżaniu masy. Trend ten jest uzasadniony wieloma czynnikami, z czego najważniejszymi są względy ekonomiczne i ekologiczn Redukcja przekrojów części użytkowych musi być skompensowana wzrostem właściwości materiałów konstrukcyjnych, co zmusza do ciągłych poszukiwań nowych rozwiązań oraz zwiększania możliwości tych klasycznie wykorzystywanyc Spośród szerokiej gamy dostępnych możliwości stopowych, stopy na bazie układu Al-Si, są szeroko stosowane na odlewy w wielu gałęziach przemysłu [1]. Oferują szeroki wachlarz właściwości mechanicznych - silnie zdeterminowanych przez skład chemiczny, a zwłaszcza zawartości pozostałych dodatków stopowych, szczególnie Mg i Cu, ale także Ti, Zr i Ag, a przy tym dobre właściwości technologiczn Jednym z najpopularniejszych stopów opartym na układzie Al-Si jest AlSi7M Stop ten charakteryzuje się dobrą lejnością, wysoką odpornością korozyjną i satysfakcjonującymi właściwościami mechanicznymi [2]. W wielu pracach poświęconych dopracowaniu technologii wytwarzania elementów ze stopu AlSi7Mg w oparciu o metody ciekło-fazowe podano, że granica wytrzymałości na rozciąganie badanego stopu w stanie po przesycaniu i starzeniu (T6) może osiągać 300 MPa [4 6]. Jest to niemal dwukrotność wartości minimalnej w stanie lanym, którą wymieniono w normie PN-EN 1676:2002. Oczywiście ten poziom właściwości może być osiągnięty poprzez zastosowanie nowoczesnych sposobów przetwarzania ciekłego metalu, gdzie odmienne - w odniesieniu do metod tradycyjnych (odlewanie do form piaskowych lub kokil) - warunki krystalizacji indukują zmiany prowadzące do wzrostu poziomu i jakości charakterystyk stopu. Morfologia krystalizujących faz może być efektywnie zmieniania poprzez zastosowanie nierównowagowych warunków krzepnięcia, np. wzrostu ciśnienia zewnętrznego [7]. Ciśnienie zewnętrzne intensyfikuje proces wymiany ciepła w układzie odlew-forma, co - w połączeniu ze zmianami termodynamicznymi w cieczy metalowej, wpływa znacząco na charakter krystalizacji. Ważniejsze zmiany wywołane poprzez zastosowanie ciśnienia w trakcie procesu krystalizacji obejmują: wzrost gęstości zarodków krystalizacji, zmiany rozpuszczalności faz w stanie stałym oraz spadek szybkości wzrostu kryształów [2]. Powyższe czynniki mają bezpośredni wpływ na charakterystyki mikrostrukturalne stopów. Istnieje wiele metod odlewania elementów przy udziale ciśnienia zewnętrznego, które różnią się pod względem sposobu wywierania ciśnienia oraz jego oddziaływania na proces kształtowania odlewu [2]. Z ważniejszych metod można wyróżnić m.in. odlewanie ciśnieniowe, odśrodkowe, niskociśnieniowe czy prasowanie w stanie ciekłym. Proces prasowania w stanie ciekłym (squeeze casting) oferuje wiele zalet w odniesieniu do pozostałych metod kształtowania odlewów pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Metoda ta daje możliwość produkcji odlewów z dokładnym odwzorowaniem kształtu i powierzchni, praktycznie na gotowo (near net shape), z uzyskiem metalu sięgającym powyżej 95%. Elementy wytworzone tą metodą charakteryzują się silnie rozdrobnioną strukturą, pozbawioną porowatości, co umożliwia ich obróbkę cieplną oraz dalszy przerób, w tym np. spawani W celu zbadania wpływu ciśnienia na podstawowe charakterystyki mikrostrukturalne gotowych wyrobów uzyskanych w procesie squeeze casting przeprowadzono badania 6

Prace IO Wpływ ciśnienia prasowania na charakterystyki mikrostrukturaln.. stopu AlSi7Mg z zastosowaniem metalografii ilościowej, obejmujące pomiary wielkości ziarna i jego kształtu. Dodatkowo przeprowadzono badania uzupełniające: zwartości strukturalnej oraz twardości odlewów wytworzonych w warunkach zmiennego ciśnieni Metodyka Przygotowanie odlewów Materiałem do badań były odlewy grawitacyjne oraz prasowane w stanie ciekłym, ze stopu AlSi7Mg o składzie chemicznym, który podano w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego stopu AlSi7Mg Table 1. Chemical composition of the examined AlSi7Mg alloy Pierwiastki Zawartość składników, % wa Si 7,10 Mg 0,30 Cu 0,11 Mn 0,36 Fe 0,34 Al reszta Metal topiono w oporowym piecu wgłębnym PET 60 z tyglem wykonanym z tworzywa na bazie SiC, uprzednio pokrytym zawiesiną azotku boru (BN). Po stopieniu ciekły metal wytrzymywano w temperaturze 720 C, a następnie odlewano do formy o średnicy 120 mm i wysokości 150 mm, przeznaczonej do realizacji procesu bezpośredniego prasowania w stanie ciekłym. Temperaturę formy utrzymywano w granicach 160 ±10 C (temperaturę mierzono pirometrem każdorazowo przed rozpoczęciem operacji odlewania) i pokrywano 10% wodnym roztworem grafitu koloidalnego. Ciśnienie zewnętrzne wywierano bezpośrednio na lustro ciekłego metalu (direct squeeze casting) przy pomocy tłoka prasującego prasy hydraulicznej Ponar PHM 160c o maksymalnej sile nacisku 160 T. Czas przyłożenia ciśnienia wynosił 60 s. Odlewy przygotowano przy zmiennym ciśnieniu, odpowiednio: 0,1 (atmosferyczne), 75 i 150 MP Stosownie wycięte próbki posłużyły do badań gęstości, twardości oraz analiz mikrostrukturalnyc Schemat pobierania próbek do badań przedstawiono na rysunku 1. Zwartość strukturalną mierzono metodą grawitacyjną (Archimedesa), natomiast badania twardości (HBW 5/250) wykonano na twardościomierzu Zwick/ Roel ZHU3000. Każdy wynik jest średnią z pięciu pomiarów twardości. 7

Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Prace IO Badania mikrostrukturalne Próbki o wymiarach 1 x 1 x 2 cm poddano obserwacjom na mikroskopie optycznym Leica DM IRM z modułem do cyfrowej rejestracji obrazów JVC TK-C1380 oraz skaningowym mikroskopie elektronowym E-SEM XL30 firmy FEI. Następnie próbki wytrawiono i ponownie poddano obserwacjom na mikroskopie optycznym. Ilościową analizę obrazów uzyskanych mikrofotografii przeprowadzono z użyciem oprogramowania Leica QWin oraz Measure IT Olympus Soft Imaging Solutions. Rozdrobnienie ziarna Zdefiniowano nominalną wielkość ziarna (dn) jako maksymalną długość cięciwy ziarn Kształt ziaren opisano stosunkiem szerokości i długości przekroju ziarna, definiując tym samym współczynnik kształtu. Długością przekroju ziarna (L) oraz szerokością przekroju ziarna (D) opisano odległość pomiędzy dwiema równoległymi liniami stycznymi do rzutu ziarna w odpowiednich kierunkac q = D L Próbki do testów twardości i gęstości Próbki do badań mikroskopowych Rys. 1. Schemat wycinania próbek do badań Fi 1. Schematic diagram of procedure for specimen cutting out Pomiarów maksymalnych długości cięciw ziaren oraz długości i szerokości przekroju ziaren dokonano w oparciu o mikrofotografie ze skaningowego mikroskopu elektronowego oraz mikroskopu optycznego. Otrzymane wyniki posłużyły do sporządzenia histogramów, na podstawie których poprzez wykreślenie krzywych rozkładu normalnego wyznaczono średni rozmiar (x c ), jak również szerokość rozkładu wielkości ziaren. Za miarę ilościową szerokości rozkładu przyjęto szerokość połówkową krzywej rozkładu normalnego (FWHM - Full Width at Half Maximum). Stopień dopasowania krzywych rozkładu normalnego do danych eksperymentalnych określono współczynnikiem R 2. 8

Prace IO Wpływ ciśnienia prasowania na charakterystyki mikrostrukturaln.. Wyniki Przykładowe obrazy mikrostruktury badanych odlewów, krzepnących pod różnym ciśnieniem pokazano na rysunku 2. Na fotografii (rys. 2a) widoczna jest typowa struktura pierwotna stopu AlSi7Mg krzepnącego w warunkach atmosferycznych w formie metalowej, charakteryzująca się dendrytycznymi kryształami roztworu stałego α i dużymi wydzieleniami iglastej eutektyki Al-Si. Widoczne są również wydzielenia krzemu nadeutektycznego, których obecność w strukturze spowodowana jest krystalizacją nierównowagową, występującą nawet w warunkach grawitacyjnyc Zwielokrotnienie ciśnienia w trakcie krzepnięcia odlewu (rys. 2b, 2c) spowodowało znaczące rozdrobnienie struktury badanego stopu, na skutek zwiększenia szybkości wymiany ciepła i wzrostu przechłodzenia, co gwałtownie zwiększyło ilość zarodków krystalizacji. Dendryty roztworu stałego α ulegają globularyzacji, a eutektyka Al-Si umieszczona w przestrzeniach międzydendrytycznych jest zauważalnie rozdrobniona i ujednorodnion Na efekt silnego rozdrobnienia strukturalnego ma również wpływ fakt, że ciśnienie działa jako inhibitor wzrostu kryształów, co dodatkowo ogranicza średni rozmiar ziarn Oczywistym następstwem zwielokrotnienia ciśnienia przyłożonego na ciekły metal w trakcie procesu krzepnięcia jest eliminowanie ewentualnych nieciągłości strukturalnych typu porowatości gazowych i rzadzizn skurczowych w skali makro także przez ich zaprasowanie w stanie stało-ciekłym. W klasycznych procesach ciekło-fazowych, pewna zawartość nieciągłości strukturalnych jest nieuniknioną konsekwencją procesu krzepnięcia ciekłego metalu i związanymi z tym zmianami właściwości - w tym przypadku objętości. Zanik dużych porów, występujących sporadycznie w mikrostrukturze odlewu nr 1 - krzepnącego w warunkach ciśnienia atmosferycznego (0,1 MPa), osiągnięto poprzez przyłożenie ciśnienia zewnętrznego równego 75 MPa (odlew nr 2). Zwiększenie zwartości strukturalnej potwierdzono wynikami badania gęstości (rys. 3a). Należy przy tym zwrócić uwagę na fakt, że różnica pomiędzy gęstością odlewu nr 1 i 2 wynosi 0,005 g/cm 3, natomiast 2 i 3 sięga 0,007 g/cm 3. Analiza fotografii (rys. 2b i 2c) nie przynosi podstaw do jakiejkolwiek dyferencjacji pomiędzy nimi, toteż różnica w zwartości strukturalnej musi wynikać z zaprasowania bardzo drobnych pustek. 9

Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Prace IO a) b) c) Rys. 2. Typowe mikrostruktury badanych odlewów krzepnących pod różnym ciśnieniem: a) ciśnienie atmosferyczne (0,1 MPa), b) 75 MPa, c) 150 MPa Fi 2. Typical microstructures of the examined castings solidifying under different pressure: a) atmospheric pressure (0,1 MPa), b) 75 MPa, c) 150 MPa 10

Prace IO Wpływ ciśnienia prasowania na charakterystyki mikrostrukturaln.. a) 2,705 2,7 Gęstość, g/cm 3 2,695 2,69 2,685 2,68 0,1 75 150 Ciśnienie krzepnięcia, MPa b) 66 64 62 60 58 65±0,5 63±0,5 Twardość, HB 56 54 58±0,7 0,1 75 150 Ciśnienie krzepnięcia, MPa Rys. 3. Wyniki pomiarów: a) wpływu ciśnienia prasowania na gęstość badanych odlewów, b) wpływu ciśnienia prasowania na twardość odlewów Fi 3. The results of measurements of: a) squeeze pressure effect on density of the examined castings, b) squeeze pressure effect on hardness of the examined castings Wyniki badań wpływu ciśnienia na rozmiar ziarna oraz jego współczynnik kształtu pokazano na rysunku 4. Ustalono, że średni rozmiar ziarna (x c ) badanego stopu w odlewie krzepnącym pod ciśnieniem atmosferycznym równy jest 137 ±3,7 µm. Wraz ze zmianą warunków krystalizacji (wzrost ciśnienia prasowania do 75 MPa) zaobserwowano znaczący spadek x c, który wynosi 70 ±3,0 µm. Odpowiada to 48% redukcji tego parametru strukturalnego (tabela 2). Dzięki maksymalizacji ciśnienia prasowania do wartości 150 MPa, otrzymane odlewy charakteryzowały się średnią wielkością ziarna na poziomie 57 ±2,8 µm. W odniesieniu do stanu wyjściowego to niemalże 60% redukcja średniego rozmiaru ziarna badanego stopu, w odniesieniu do odlewów krzepnących w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Różnice w rozdrobnieniu mikrostruktury pomiędzy odlewami nr 2 i 3 (-19%) nie są jednak tak spektakularne jak w przypadku różnic pomiędzy odlewami nr 1 i 2. Wyniki metalografii ilościowej dobrze korelują z rezultatami badań twardości, co pokazano na rysunku 5. Pomiędzy odlewami nr 1 i 2 stwierdzono znaczący wzrost twardości (o 5 jednostek HB), w odniesieniu do niewielkiej różnicy między odlewami 2 i 3 (2 jednostki HB). Należy nadmienić, że badaniom poddano próbki w stanie wytworzenia (lanym), bez obróbki cieplnej. Według danych literaturowych [2] proces prasowania w stanie ciekłym zmienia stan energetyczny materiału, co wpływa na spotęgowanie efektów obróbki cieplnej. 11

Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Prace IO a) wielkość i kształt ziaren odlewu krzepnącego pod ciśnieniem atmosferycznym b) wielkość i kształt ziaren odlewu krzepnącego pod ciśnieniem 75 MPa c) wielkość i kształt ziaren odlewu krzepnącego pod ciśnieniem 150 MPa Rys. 4. Wyniki badań wpływu ciśnienia prasowania na rozmiar i kształt ziarna: a) odlew nr 1 (0,1 MPa), b) odlew nr 2 (75 MPa), c) odlew nr 3 (150 MPa) Fi 4. The results of measurements of squeeze pressure effect on the size and shape of grains in: a) casting 1 (0,1 MPa), b) casting 2 (75 MPa), c) casting 3 (150 MPa) 12

Prace IO Wpływ ciśnienia prasowania na charakterystyki mikrostrukturaln.. Średni rozmiar ziarna, μm Twardość, HB Rys. 5. Wykres zależności (korelacji liniowej) pomiędzy twardością i średnim rozmiarem ziarna Fi 5. Plottted relationship (linear correlation) between hardness and average grain size Zastosowanie regresji wielomianowej drugiego stopnia umożliwia dobry opis zależności twardości od parametru strukturalnego x c (rys. 5). Asymptotyczność linii trendu pozwala na stwierdzenie, że ciśnienie 150 MPa jest bliskie optymalnej wartości. Jednakże w danym przypadku, analiza regresyjna jest obarczona dużym błędem, ze względu na znaczny przedział ciśnienia i niewielką liczbę pomiarów. W celu weryfikacji powyższego stwierdzenia wymagane jest przeprowadzenie badań odlewów ze stopu AlSi7Mg wytworzonych w warunkach ciśnienia np. 40 i 110 MP Tabela 2. Zmiany właściwości badanego stopu AlSi7Mg Table 2. Changes in properties of the examined AlSi7Mg alloy Ciśnienie krzepnięcia, MPa Gęstość Zmiany właściwości, % Twardość Średni rozmiar ziarna 0,1 Poziom odniesienia 75 +0,18 +8,6-48 150 +0,44 (+0,26) +12 (+3,2) -58 (-19) 13

Tomasz Reguła, Jerzy J. Sobczak, Jerzy Morgiel, Piotr Dudek, Piotr Długosz Prace IO W oparciu o analizę wyników współczynnika kształtu ziaren badanego stopu (rys. 4), stwierdzono występowanie efektu sferoidyzacji (przesunięcie piku rozkładu normalnego w prawą stronę). Jest to związane z warunkami wzrostu roztworu stałego w warunkach ciśnienia hydrostatycznego, które nie pozwala na uprzywilejowany rozrost ziarna w którymkolwiek kierunku [2]. Efekt sferoidyzacji ziarna powinien powodować wzrost plastyczności badanego stopu. W oparciu o powyższe dane, można domniemać, że odlew nr 3 (150 MPa) powinien charakteryzować się wysoką wartością wydłużenia, znacznie przekraczającą minimalną wartość normatywną dla stopu AlSi7M Wnioski Zauważono znaczący wpływ ciśnienia na średni rozmiar ziarna, zwartość strukturalną oraz twardość badanego stopu AlSi7M Wysokie ciśnienie wywierane na lustro ciekłego metalu w trakcie procesu krzepnięcia eliminuje nieciągłości strukturalne poprzez intensyfikację zasilania odlewu. Dzięki przyłożeniu ciśnienia (150 MPa), otrzymano ponad dwukrotną (58%) redukcję średniego rozmiaru ziarna badanego stopu, w odniesieniu do próbki krzepnącej w warunkach ciśnienia atmosferycznego, co świadczy o szerokim spektrum zmian, które ten czynnik wywołuje w trakcie procesu krystalizacji. Stwierdzono wystąpienie efektu sferoidyzacji roztworu stałego α w strukturze odlewów prasowanych w stanie ciekłym. Podziękowania Niniejsza publikacja powstała na bazie prac prowadzonych w ramach projektu Zaawansowane materiały i technologie ich wytwarzania, nr POIG.01.01.02-00-015/19, podzadanie V.5.1. Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Górny Z., Sobczak J. J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych, Za-Pis, Kraków, 2005. Sobczak J. J.: Teoretyczne i praktyczne podstawy procesu prasowania w stanie ciekłym (squeeze casting) metali nieżelaznych, Prace Instytutu Odlewnictwa, 1993, Zeszyt Specjalny nr 41. Pietrowski S.: Siluminy, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2001. Lee K., Kwon Y.N., Lee S: Effects of eutectic silicon particles on tensile properties and fracture toughness of A356 aluminum alloys fabricated by low-pressure-casting, casting-forging, and squeeze-casting processes, Journal of Alloys and Compounds, 2008, Vol. 461, No. 1 2, pp. 532 541. Bai Y., Zhao H.: Tensile properties and fracture behavior of partial squeeze added slow shot die-cast A356 aluminum alloy. Materials and Design, 2010, Vol. 31, No. 9, pp. 4237 4243. Mao W., Zheng Q., Zhu D.: Rheo-squeeze casting of semi-solid A356 aluminum alloy slurry, Trans. Nonferrous Met. So China, 2010, Vol. 20, pp. 1769 1773. Selivorstov V., Dotsenko Y., Borodianskiy K., Kossenko A., Zinigrad M.: Al-Si alloys structure formation using gaso-dynamic modification. Seventh Russian-Israeli Bi-National Workshop, 2008. 14

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LI Rok 2011 Zeszyt 1 ANALIZA TERMICZNA POLISTYRENOWEGO MODELU ODLEWNICZEGO THE THERMAL ANALYSIS OF POLYSTYRENE FOUNDRY MODEL Jan Pielichowski *, Jerzy J. Sobczak **, Zdzisław Żółkiewicz **, Edyta Hebda *, Aleksander Karwiński ** * Katedra Chemii i Technologii Tworzyw Sztucznych, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków ** Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań polistyrenowego modelu odlewniczego za pomocą metody termograwimetrycznej (TG). Badania przeprowadzono dla trzech rodzajów polistyrenu - krajowego Owipianu (Syntos Oświęcim), kopolimeru PS i PSX (Francja). Na podstawie przeprowadzonych badań TG określono przebieg rozkładu termicznego polistyrenowego modelu odlewniczego. Stwierdzono całkowitą degradację PS w zakresie temperatury 321 395 C. Przeprowadzono analizę kinetyki zgazowania i określono zależność wydatku gazów bazowego modelu polistyrenowego od temperatury. Słowa kluczowe: odlewnictwo, modele, polistyren, polimery, rozkład termiczny Abstract The article presents the results of thermogravimetric (TG) investigations of a polystyrene foundry model. The study was conducted for three polystyrenes - Owipian (Syntos Oświęcim), copolymer PS and PSX (France). Next, TG analysis was performed for the prepared PS foundry model and the results obtained show that PS fully degrades in the temperature range of 321 395 C. Finally, kinetics of gasification and intensity of gas volatilization were investigated for PS foundry model. Key words: casting, foundry models, polystyrene, polymers thermal decomposition 15

Jan Pielichowski, Jerzy Józef Sobczak, Zdzisław Żółkiewicz, Edyta Hebda, Aleksander Karwiński Prace IO Wstęp Polimery stosowane do wykonania modeli odlewniczych muszą spełniać szereg wymagań. Muszą być stosunkowo łatwe do formowania i przy tym posiadać odpowiednie właściwości fizyko-mechaniczne, odpowiadające za wytrzymałość mechaniczną modelu. Dalszym problemem jest szybki rozkład w trakcie wykonywania odlewu. Najczęściej stosowany jest styropian (polistyren spieniony), który charakteryzuje się wieloma przydatnymi właściwościami. W trakcie prowadzenia odlewania metalu, model polistyrenowy ulega szybkiemu rozkładowi z wydzieleniem produktów gazowyc Duże znaczenie ma skład tych produktów oraz ich ilość. Polistyren do wyrobu materiałów spienionych (styropian) przygotowywany jest dwoma sposobami. Pierwszy sposób polega na prowadzeniu procesu polimeryzacji w obecności poroforu. Proces polimeryzacji prowadzi się metodą suspensyjną lub blokową w obecności nadtlenku benzoilu i 6,5 8% wa eteru naftowego o temperaturze wrzenia 35 60 C. Polimeryzację prowadzi się w atmosferze azotu przy ciśnieniu 2,5 MP W wyniku polimeryzacji otrzymuje się granulki o średnicy 2 3 mm zawierające porofor, które w podwyższonej temperaturze ulegają spienianiu, wielokrotnie zwiększając swoją objętość. Temperatura oraz czas spieniania istotnie wpływają na gęstość i właściwości gotowego wyrobu, najczęściej spienianie prowadzi się w temperaturze 80 100 C. Drugim sposobem jest mieszanie polistyrenu lub kopolimeru styrenu z poroforem chemicznym z dodatkiem około 0,2 stearynianu butylu lub oleju parafinowego, jako lepiszczy. Potencjalnymi materiałami do wykorzystania na modele odlewnicze mogą być spienione kopolimery styrenu z kwasem maleinowym, które posiadają odporność termiczną do 120 C. Wykonanie badań Otrzymany model ze spienionego polistyrenu (styropian) w trakcie procesu odlewniczego powinien ulec całkowitemu procesowi zgazowania z wydzieleniem produktów gazowych bez popiołów. Efektywną metodą badania procesu rozkładu polimeru, w tym styropianu, jest jedna z metod analizy termicznej - metoda termograwimetryczna (TG). Wyniki badań TG wyjściowych próbek styropianu przed spienieniem pokazano na rysunkach 1 3. 16

Prace IO Analiza termiczna polistyrenowego modelu odlewniczego Na rysunku 1 pokazano wyniki badań termicznych kopolimeru PS o ziarnistości (frakcja) 0,6, gdzie do temperatury 299,1 C ubytek lotnych składników stanowiących porofor wynosi 2,18% wa Rys. 1. Badania termiczne (TG) kopolimeru PS o frakcji 0,6 mm Fi 1. Thermal studies (TG) of copolymer PS of 0,6 mm fraction Dalszy rozkład polimeru przebiega do momentu uzyskania temperatury 368,4 C, a ubytek masy wynosi około 93% wa, pozostała część polimeru (7,69% wa) ulega rozkładowi do temperatury 439,7 C. Na rysunku 2 pokazano wyniki badań metodą termograwimetryczną TG styropianu X (Francja), gdzie ubytek masy spowodowany odparowaniem poroforu wynosi 5,52% wa w zakresie temperatury 129,0 281,9 C, następnie całkowity ubytek wynosi 94,34% wa w temperaturze 352,0 C, a pozostałość rozkłada się do temperatury 600,0 C. Kolejne badania metodą termograwimetryczną DTG zostały przeprowadzone dla Owipianu FS0308 04 (producent Syntos Oświęcim) rysunek 3. Ubytek poroforu wynosi 2,4% wa w temperaturze 118,4 C. Początek rozkładu polimeru zaczyna się w temperaturze 326,1 C, a całkowity rozkład zachodzi w temperaturze 396,4 C. 17

Jan Pielichowski, Jerzy Józef Sobczak, Zdzisław Żółkiewicz, Edyta Hebda, Aleksander Karwiński Prace IO Rys. 2. Wyniki badań TG styropianu X (Francja) Fi 2. The results of examinations by TG and DTG of X foamed polystyrene (France) Rys. 3. Wyniki badań TG polistyrenu Owipian FS0308 04 Fi 3. The results of examinations by TG of Owipian FS0308 04 polystyrene 18

Prace IO Analiza termiczna polistyrenowego modelu odlewniczego W ten sposób zostały scharakteryzowane surowce wyjściowe do otrzymywania styropianu. Praktycznie do temperatury 400,0 C styropian ulega rozkładowi na produkty gazow Dalsze badania prowadzono dla styropianu po spienieniu wykorzystanego modelu odlewniczego - wyniki badań metodą termograwimetryczną TG pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Wyniki badań doświadczalnego modelu odlewniczego wykonanego z polistyrenu Owipian FS0308 04 Fi 4. The results of examinations of a test foundry pattern made from Owipian FS0308 04 polystyrene Na krzywej TG obserwuje się niezmienny ubytek pozostałości poroforu, a właściwy rozkład polimeru rozpoczyna się w temperaturze 321,0 C, a kończy się w temperaturze 395,3 C i wynosi 99,29%. Rozkład styropianu odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze i powoduje wydzielanie się produktów gazowyc Styropian stanowi nowoczesny i ważny materiał do wykonywania modeli odlewniczyc Zaletą tego materiału jest niski koszt, mała masa objętościowa, duża dokładność wymiarowa modelu i możliwość wykonywania odlewów o skomplikowanych kształtach z pominięciem niektórych operacji technologicznych, np. rdzeniowani Model usuwany jest z formy poprzez zgazowywani Wydzielają się stałe i gazowe produkty zgazowywani W zależności od temperatury zgazowywania proces ten zachodzi w określonym przedziale czasowym, czas ten skraca się wraz ze wzrostem temperatury. Na rysunkach 5 i 6 zaprezentowano kinetykę zgazowywania się polistyrenu. Rysunek 5 przedstawia przedział czasowy 20 do 30 s, w którym występuje najwyższa wydzielalność gazów, natomiast rysunek 6 zależność wydzielalności gazów od temperatury zgazowywani Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wydzielalność gazów. 19

Jan Pielichowski, Jerzy Józef Sobczak, Zdzisław Żółkiewicz, Edyta Hebda, Aleksander Karwiński Prace IO Wydzielalność gazów w badanych temperaturach Czas, s Rys. 5. Kinetyka zgazowywania modelu polistyrenowego w temperaturze 1000 C w zależności od czasu Fi 5. The kinetics of polystyrene pattern evaporation at a temperature of 1000 C in function of time Procentowy wzrost wydatku Q, w badanych temperaturach Temperatura zgazowywania styropianu T, w przedziale 400 do 1200 C Rys. 6. Zależność wydatku gazów Q ze zgazowywanego modelu styropianowego w zależności od temperatury zgazowywania, dla gęstości modelu styropianowego: 30 kg/m 3 Fi 6. Gas expenditure Q from the polystyrene pattern of 30 kg/m 3 density in function of evaporation temperature 20

Prace IO Analiza termiczna polistyrenowego modelu odlewniczego Obecnie prowadzi się intensywne prace nad poszukiwaniem nowych materiałów polimerowych do wykonywania modeli odlewniczyc Do takich materiałów zalicza się m.in. spieniony kopolimer styrenu z bezwodnikiem maleinowym. Jednakże jest to materiał trudniejszy w wykonywaniu modeli odlewniczych i znacznie droższy. W Instytucie Odlewnictwa trwają badania nad nową grupą materiałów do wykonywania modeli odlewniczych, charakteryzujących się wyższą wytrzymałością mechaniczną i jednocześnie prostszym sposobem stosowania - wyniki badań stanowią przedmiot przygotowanej publikacji. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań TG dokonano analizy właściwości termicznych spienionych polistyrenów (styropianów). Określono warunki rozkładu termicznego oraz całkowity ubytek masy. W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że spieniony polistyren produkcji krajowej pod wpływem temperatury, podobnie się rozkłada jak badane styropiany produkcji francuskiej. Podziękowania Niniejsza praca naukowa została sfinansowana ze środków na naukę w latach 2009 2012, jako projekt badawczy Nr N N507 270736 pt.: Wpływ własności materiałów modelowych i formierskich na przebieg procesu odlewania w metodzie modeli zgazowywanych. Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Pielichowski J., Puszyński A.: Chemia polimerów, TEZA, Kraków, 2004. Pielichowski J., Puszyński A.: Technologia tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa, 2003. Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne, WNT, Warszawa, 1995. Pielichowski K, Njuguna J.: Thermal Degradation of Polymeric Materials, Rapra Technology Limited, UK, 2005. Saechtling H.: Poradnik tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa, 2000. Żółkiewicz Z., Żółkiewicz M.: Pattern evaporation process, Archives of Foundry Engineering, 2007, Vol. 7, No. 1, pp. 49 52. Żółkiewicz Z., Żółkiewicz M.: Characteristic properties of materials for evaporative patterns, Archives of Foundry Engineering, Special Issue, 2010, Vol. 10, No. 3, pp. 289 292. Żółkiewicz Z.: Influence of Thermal Gasification of the Polystyrene Pattern on the Casting Surface, Archives of Foundry - Archiwum Odlewnictwa, 2004, Vol. 4, No. 11, pp. 332 33. Żółkiewicz Z., Jankowski W., Wacławik Z.: Effect of temperature on the volume and rate of gas emissions from polystyrene pattern evaporated in the full mould process, Archives of Metallurgy, Krakow, 1999, Vol. 44, No. 1, pp. 111 118. 21

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LI Rok 2011 Zeszyt 1 BADANIA EMISJI PRODUKTÓW ZGAZOWANIA MODELU STYROPIANOWEGO W TECHNOLOGII LOST FOAM W ASPEKCIE ŚRODOWISKA PRACY STUDYING THE EMISSION OF PRODUCTS FORMED DURING EVAPORATION OF POLYSTYRENE PATTERNS IN THE LOST FOAM PROCESS IN TERMS OF THE WORK ENVIRONMENT Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Streszczenie W artykule zaprezentowano aspekt ekologiczny technologii modeli zgazowywanyc Przedstawiono wyniki badań środowiskowych przeprowadzonych na stanowisku doświadczalnym zalewania form ciekłym metalem oraz wybijania odlewów w procesie lost foam. Określono wpływ technologii modeli zgazowywanych na środowisko pracy. Słowa kluczowe: modele zgazowywane, technologia lost foam, środowisko pracy, NDS Abstract The article presents the ecological aspects of the lost foam technology. The results of environmental tests carried out on an experimental stand for pouring of moulds with liquid metal and knocking out of castings in the lost foam process were presente The influence of the lost foam technology on the work environment was determine Keywords: lost foam patterns, lost foam technology, work environment, MAC 23

Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Prace IO Wstęp W procesie lost foam ciekły metal wlany do formy zgazowuje model styropianowy (polistyren spieniony), odtwarzając go doskonale w postaci odlewu. Produkty powstałe w wyniku destrukcji cieplnej modelu styropianowego przechodzą przez powłokę ogniotrwałą i piasek na zewnątrz formy. Jednym z zasadniczych czynników, które wpływają na stopień rozkładu termicznego jest energia wiązań między atomami. Tworzywo ulega rozkładowi, jeżeli dostarczona jest odpowiednia energia, wystarczająca do rozerwania wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami. O przebiegu rozkładu decyduje wielkość energii aktywacji polimeru, która dla polistyrenu wynosi 230 kj/mol. Związek ten ulega degradacji termicznej począwszy od temperatury 350 C. Główne produkty rozpadu cząsteczki polistyrenu powstają na skutek pękania wiązań C-C. Poniżej zamieszczono schemat możliwości rozpadu makrocząsteczki polistyrenu [1]: Przeprowadzone badania wpływu temperatury, rodzaju atmosfery (azotu lub powietrza) oraz szybkości ogrzewania polistyrenu na jego rozkład termiczny [2] wykazały, że przebieg destrukcji tego związku w badanym zakresie temperatur (300 600 C) zależy od rodzaju atmosfery. Metodą chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią masową zidentyfikowano 64 związki wydzielające się podczas tego procesu, przy czym w produktach rozkładu dominowały związki aromatyczn 24

Prace IO Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego... Badania własne Badania przeprowadzone w Instytucie Odlewnictwa obejmowały określenie stężeń produktów zgazowania modelu styropianowego, emitowanych w procesie lost foam na stanowisku doświadczalnym podczas: zalewania formy ciekłym metalem, wybijania odlewów z form [3]. Przeprowadzono dwie serie badań. W I serii formy z modelem styropianowym zalewano ciekłym żeliwem (temp. zalewania: 1380 C), natomiast w II serii formy zalewano ciekłą stalą (temp. zalewania: 1450 C). Metody badań (I i II seria) Pobieranie prób powietrza na ww. stanowisku dla oznaczenia stężeń wybranych związków chemicznych wydzielających się podczas zgazowywania modeli polistyrenowych oraz interpretację wyników badań przeprowadzono według Procedury TBO/001/02 i normy PN-Z-04008-7:2002 ze zmianą: PN-Z-04008-7:2002/Az1:2004 (oznaczanie benzenu, ksylenu, toluenu oraz styrenu) oraz zgodnie z wytycznymi J.P. Gromiec: Pomiary i ocena stężeń czynników chemicznych i pyłów w środowisku pracy (oznaczanie tlenku węgla) [4]. Do poboru prób powietrza zastosowano aspiratory A-1 oraz miernik stężeń tlenku węgla MG-7. Próby powietrza pobrano w strefie oddychania pracowników obsługujących doświadczalne stanowisko zalewania form ciekłym metalem oraz wybijania odlewów. Oznaczenie stężeń tlenku węgla wykonano metodą bezpośredniego odczytu, natomiast stężenia pozostałych związków chemicznych (benzenu, ksylenu, toluenu oraz styrenu) metodą spektrofotometryczną według polskich norm. Podstawy prawne Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. [5] najwyższe dopuszczalne stężenia (NDS) oraz najwyższe dopuszczalne stężenia chwilowe (NDSCh) dla oznaczanych związków chemicznych w środowisku pracy wynoszą: benzen NDS 1,6 mg/m 3 NDSCh mg/m 3 ksylen - mieszanina izomerów NDS 100 mg/m 3 1,2-; 1,3-; 1,4- NDSCh mg/m 3 toluen NDS 100 mg/m 3 NDSCh 200 mg/m 3 styren NDS 50 mg/m 3 NDSCh 200 mg/m 3 tlenek węgla NDS 23 mg/m 3 NDSCh 117 mg/m 3 25

Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Prace IO Określenie wskaźników narażenia Jako wyniki przeprowadzonych pomiarów stężeń związków chemicznych na badanym doświadczalnym stanowisku pracy podano wskaźniki narażenia, tj. górną GG w i dolną DG w granicę przedziałów ufności stężeń średnich ważonych, średnią ważoną średnich geometrycznych X gw (dla 8 h pracy podano średnią geometryczną wyników oznaczań X g, górną GG i dolną DG granicę przedziału ufności dla średniej z wyników pomiarów) oraz wartości współczynników łącznego narażenia dla 8-godzinnej zmiany roboczej, przyjmując czas pracy na doświadczalnym stanowisku pomiarowym kolejno: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 godzin w ciągu zmiany roboczej. Obliczenia przeprowadzono dla przyjętych czasów pracy. Wskaźnik narażenia GG w - wskaźnik liczbowy charakteryzujący ekspozycję pracownika na substancję szkodliwą, obliczony na podstawie jej oznaczeń (stężeń) na stanowisku pracy, w celu porównania z wartością normatywu higienicznego (NDS). Wskaźnik ten obliczono według wzoru: GG W = GG t 8 t - czas trwania okresu pomiarowego (czas wykonywania prac na badanym doświadczalnym stanowisku pracy) w godz./zmianę, GG - górna granica przedziału ufności dla średniej z wyników pomiarów. Analogicznie obliczono wskaźnik DG w (dolną granicę przedziału ufności stężeń średnich ważonych). Stężenia chwilowe określono, pobierając dwie 15-minutowe próbki w okresie pomiarowym, w którym oczekiwano szczególnie wysokich stężeń oznaczanych substancji. W związku z występowaniem na badanym doświadczalnym stanowisku pracy narażenia złożonego określono również współczynnik łącznego narażenia według wzoru: GG NDS W 1 1 GG + NDS W 2 2 GG +... + NDS Wn n 1 Obliczona wartość współczynnika łącznego narażenia nie powinna być większa od 1. Wyniki badań podano w tabelach: 1, 2 (I seria) oraz w tabelach 3, 4 (II seria). 26

Prace IO Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego... Tabela 1. Wyniki pomiarów środowiskowych na stanowisku doświadczalnym zalewania form żeliwem według technologii modeli zgazowywanych (lost foam) seria I Table 1. The results of environmental measurements at the experimental stand for lost foam mould pouring with cast iron - Series I Miejsce pomiarów Czas pracy h/zm Oznaczany związek chemiczny Wskaźnik narażenia GG w DG w mg/m 3 mg/m 3 NDS Przekroczenie mg/m 3 NDS Stężenie chwilowe NDSCh Przekroczenie NDSCh Współczynnik łącznego narażenia benzen 2,0 3,9 5,9 7,9 9,8 11,8 13,7 15,7 1,5 2,9 4,4 5,8 7,3 8,7 10,2 11,6 1,6 1,3 2,4 3,7 4,9 6,1 7,4 8,6 9,8 16,00 14,00 -- ksylen 100 Stanowisko doświadczalne zalewania form wedug technologii modeli zgazowywanych (lost foam) - zalewanie modeli styropianowych żeliwem a) 1 h b) 2 h c) 3 h d) 4 h e) 5 h f) 6 h g) 7 h h) 8 h toluen styren 1,8 3,7 5,5 7,3 9,1 11,0 12,8 14,6 1,0 1,9 2,9 3,9 4,8 5,8 6,7 7,7 1,3 2,6 3,9 5,2 6,5 7,8 9,1 10,4 100 14,00 12,00 200 0,8 1,5 2,3 3,1 3,8 4,6 5,3 6,1 50 7,5 7,5 200 1,8 3,4 5,3 7,0 8,7 10,5 12,2 13,9 tlenek węgla 11,1 22,1 33,2 44,2 55,3 66,3 77,4 88,4 8,1 16,1 24,2 32,2 40,3 48,3 56,4 64,4 23 1,4 1,9 2,4 2,9 3,4 3,8 136,0 130,3 117 1,2 1,1 27

Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Prace IO Tabela 2. Wyniki pomiarów środowiskowych na stanowisku doświadczalnym wybijania odlewów żeliwnych wykonanych według technologii modeli zgazowywanych (lost foam) seria I Table 2. The results of environmental measurements at the experimental stand for lost foam casting knocking out - Series I Miejsce pomiarów Czas pracy h/zm Oznaczany związek chemiczny Wskaźnik narażenia GG w DG w mg/m 3 mg/m 3 NDS Przekroczenie mg/m 3 NDS Stężenie chwilowe NDSCh Przekroczenie NDSCh Współczyn-nik łącznego narażenia benzen i. j. k. l. m. n. o. p. 1,6 3,2 4,7 6,3 7,9 9,5 11,0 12,6 1,2 2,5 3,7 4,9 6,1 7,4 8,6 9,8 1,6 2,0 2,9 3,9 4,9 5,9 6,9 7,9 12,0 12,0 ksylen 100 Stanowisko doświadczalne wybijania odlewów wykonanych wedug technologii modeli zgazowywanych (lost foam) - wybijanie odlewów z form 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h toluen styren 2,0 3,9 5,9 7,9 9,8 11,8 13,7 15,7 1,1 2,2 3,3 4,4 5,5 6,6 7,7 8,8 1,5 2,9 4,4 5,8 7,3 8,7 10,2 11,6 100 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 16,0 14,0 200 0,7 1,4 2,1 2,9 3,6 4,3 5,0 5,7 50 8,5 8,0 200 1,4 2,7 4,0 5,4 6,8 8,2 9,5 10,8 tlenek węgla 7,6 15,1 22,7 30,3 37,8 45,4 52,9 60,5 4,2 8,4 12,5 16,7 20,9 25,1 29,1 33,4 23 1,3 1,6 2,0 2,3 2,6 83,8 72,5 117 28

Prace IO Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego... Tabela 3. Wyniki pomiarów środowiskowych na stanowisku doświadczalnym zalewania form staliwem według technologii modeli zgazowywanych (lost foam) - seria II Table 3. The results of environmental measurements at the experimental stand for lost foam mould pouring with cast steel - Series II Miejsce pomiarów Czas pracy h/zm Oznaczany związek chemiczny Wskaźnik narażenia GG w DG w mg/m 3 mg/m 3 NDS Przekroczenie mg/m 3 NDS Stężenie chwilowe NDSCh Przekroczenie NDSCh Współczynnik łącznego narażenia benzen 1,8 3,7 5,5 7,3 9,1 10,9 12,8 14,6 1,5 3,0 4,4 5,9 7,4 8,9 10,3 1,8 1,6 1,1 2,3 3,4 4,6 5,7 6,8 8,0 9,1 14,0 14,0 ksylen 100 Stanowisko doświadczalne zalewania form według technologii modeli zgazowywanych (lost foam) - zalewanie modeli styropianowych staliwem 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h toluen styren 1,5 3,1 4,6 6,1 7,6 9,2 10,7 12,2 1,0 2,0 3,0 4,0 4,9 5,9 6,9 7,9 1,2 2,4 3,6 4,8 5,9 7,1 8,3 9,5 100 12,0 12,0 200 0,9 1,8 2,7 3,7 4,6 5,5 6,4 7,3 50 7,5 7,5 200 1,3 2,7 4,1 5,5 6,8 8,1 9,6 10,9 tlenek węgla 4,4 8,8 13,1 17,5 21,9 26,3 30,6 35,0 3,8 7,7 11,5 15,4 19,2 23,0 26,9 30,7 23 1,1 1,3 1,5 37,5 37,5 117 29

Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Prace IO Tabela 4. Wyniki pomiarów środowiskowych na stanowisku doświadczalnym wybijania odlewów staliwnych wykonanych wg technologii modeli zgazowywanych (lost foam) seria II Table 4. The results of environmental measurements at the experimental stand for lost foam casting knocking out - Series II Miejsce pomiarów Czas pracy h/zm Oznaczany związek chemiczny Wskaźnik narażenia GG w DG w mg/m 3 mg/m 3 NDS Przekroczenie mg/m 3 NDS Stężenie chwilowe NDSCh Przekroczenie NDSCh Współczynnik łącznego narażenia benzen 2,5 5,0 7,4 9,9 12,4 14,9 17,3 19,8 2,0 4,1 6,1 8,2 10,2 12,2 14,3 16,3 1,6 1,6 3,1 4,6 6,2 7,7 9,3 10,8 12,4 20,0 18,0 ksylen 100 Stanowisko doświadczalne wybijania odlewów wykonanych według technologii modeli zgazowywanych (lost foam) - wybijanie odlewów z form 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h toluen styren 2,2 4,3 6,5 8,6 10,8 12,9 15,1 17,2 1,2 2,4 3,5 4,7 5,9 7,1 8,2 9,4 1,6 3,2 4,7 6,3 7,9 9,5 11,0 12,6 100 1,1 2,2 3,2 4,3 5,4 6,5 7,5 8,6 50 16,0 16,0 9,5 9,0 200 200 1,7 3,3 4,9 6,7 8,3 10,1 11,7 13,4 tlenek węgla 1,9 3,8 5,7 7,7 9,6 11,5 13,4 15,3 1,8 3,5 5,3 7,1 8,8 10,6 12,3 14,1 23 17,5 16,3 117 30

Prace IO Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego... Interpretacja wyników badań Seria I: -- Na stanowisku zalewania form żeliwem według technologii zgazowywanych modeli stwierdzono przekroczenie NDS benzenu oraz NDS tlenku węgla dla przyjętego czasu pracy w ciągu 8-godzinnej zmiany roboczej. Dla pozostałych związków chemicznych tj. toluenu i styrenu nie stwierdzono przekroczeń wartości NDS. Natomiast zastosowaną metodą nie wykryto ksylenu. Na stanowisku tym zostało przekroczone najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh) tlenku węgl Ponadto stwierdzono przekroczenie wartości współczynnika łącznego narażenia dla przyjętego czasu pracy. -- Na stanowisku wybijania odlewów z form stwierdzono przekroczenie NDS benzenu oraz NDS tlenku węgla dla przyjętego czasu pracy w ciągu 8-godzinnej zmiany roboczej. Dla pozostałych związków chemicznych, tj. toluenu i styrenu nie stwierdzono przekroczeń wartości NDS. Natomiast zastosowaną metodą nie wykryto ksylenu. Stwierdzono również przekroczenie wartości współczynnika łącznego narażenia dla przyjętego czasu pracy. Najwyższe dopuszczalne stężenia (NDSCh) dla oznaczanych związków chemicznych nie były przekroczon Analiza wartości współczynnika łącznego narażenia w aspekcie wkładu każdej oznaczanej substancji pozwoliła stwierdzić, które związki chemiczne miały największy wpływ na jego wielkość. Dla badanego stanowiska doświadczalnego był to tlenek węgl Reasumując, na badanym stanowisku doświadczalnym: zalewania form oraz wybijania odlewów według technologii modeli zgazowywanych stwierdzono przekroczenie NDS benzenu i tlenku węgla oraz łącznego narażeni Seria II: -- -- Na stanowisku zalewania form staliwem według technologii zgazowywanych modeli stwierdzono przekroczenie NDS benzenu oraz NDS tlenku węgla dla przyjętego czasu pracy w ciągu 8-godzinnej zmiany roboczej. Dla pozostałych związków chemicznych tj. toluenu i styrenu nie stwierdzono przekroczeń wartości NDS. Natomiast zastosowaną metodą nie wykryto ksylenu. Na stanowisku tym nie zostało przekroczone najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh) dla żadnego z oznaczanych związków chemicznyc Przekroczona została natomiast wartość współczynnika łącznego narażenia dla przyjętego czasu pracy. Na stanowisku wybijania odlewów z form stwierdzono przekroczenie NDS benzenu dla przyjętego czasu pracy w ciągu 8-godzinnej zmiany roboczej. Dla toluenu, styrenu i tlenku węgla nie stwierdzono przekroczeń wartości NDS. Na tym stanowisku nie wykryto zastosowaną metodą obecności ksylenu. Najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh) nie zostało przekroczone dla oznaczanych związków chemicznyc Stwierdzono natomiast przekroczenie wartości współczynnika łącznego narażenia dla przyjętego czasu pracy. 31

Maria Żmudzińska, Janusz Faber, Katarzyna Perszewska, Zdzisław Żółkiewicz, Zbigniew Maniowski Prace IO Reasumując, na badanym stanowisku doświadczalnym wykonywania odlewów według technologii modeli zgazowywanych stwierdzono przekroczenie NDS benzenu i tlenku węgla oraz łącznego narażenia podczas zalewania form ciekłym metalem oraz wybijania odlewów. Obecność gazowych produktów rozkładu polistyrenu w powietrzu na stanowisku wybijania odlewów świadczy o częściowym gromadzeniu się tych związków w formi Podsumowanie 1. W procesie lost foam temperatura ciekłego metalu powoduje zgazowanie modelu styropianowego. Produkty powstałe w wyniku destrukcji cieplnej modelu styropianowego przechodzą przez powłokę ogniotrwałą i piasek na zewnątrz formy. Emitowane zanieczyszczenia mogą pogarszać jakość powietrza na stanowiskach pracy w odlewni. 2. W celu oceny technologii zgazowywanych modeli w aspekcie środowiska pracy przeprowadzono badania na stanowisku doświadczalnym podczas zalewania formy ciekłym metalem oraz wybijania odlewów. 3. Na podstawie przeprowadzonych badań i uzyskanych wyników stwierdzono: -- większe stężenia emitowanych związków chemicznych przy zalewaniu form ciekłym żeliwem (seria I) w odniesieniu do ich wartości w przypadku zalewania form ciekłą stalą, -- mniejszą emisję zanieczyszczeń w trakcie wybijania odlewów żeliwnych niż podczas wybijania odlewów staliwnych, z wyjątkiem tlenku węgla, którego stężenia były wyższe dla odlewów żeliwnych, -- przekroczenie NDS benzenu i tlenku węgla oraz wartości łącznego narażenia podczas zalewania form ciekłym metalem oraz wybijania odlewów. 4. Benzen jest substancją toksyczną, rakotwórczą, uszkadza układ krwiotwórczy; tlenek węgla jest toksyczny, wiążąc się z hemoglobiną krwinek hamuje oddychanie tkankow W technologii lost foam stanowisko zalewania form ciekłym metalem oraz wybijania odlewów powinno być wyposażone w skuteczną wentylację. Podziękowania Publikację opracowano na podstawie wyników realizacji projektu badawczego N N507 270736 pt.: Wpływ własności materiałów modelowych i formierskich na przebieg procesu odlewania w metodzie modeli zgazowywanych oraz projektu celowego: 69 2007 C/06941 pt.: Opracowanie technologii i uruchamianie ekologicznej produkcji ciężkich odlewów ze stopów żelaza z wykorzystaniem modeli zgazowywanych. 32

Prace IO Badania emisji produktów zgazowania modelu styropianowego... Literatura 1. 2. 3. 4. 5. Sokołowski J., Marczewski M., Rokicki G.: Recykling termiczno-katalityczny poliolefin i polistyrenu, www.mos.gov.pl/gz/big/2009_07. Krauze M., Trzeszczyński J., Dzięcioł M.: Wpływ temperatury i rodzaju atmosfery na rozkład termiczny polistyrenu, Polimery, 2003, T. 48, nr 10, s. 701 708. Ocena ekologiczna procesu zalewania form oraz wybijania odlewów wg technologii modeli zgazowywanych lost foam. Praca nauk.-ba, Instytut Odlewnictwa, 2008 (zl. 7206/08; zl. 7206/10). Gromiec J.P.: Pomiary i ocena stężeń czynników chemicznych i pyłów w środowisku pracy. CIOP-PIB, Warszawa, 2004. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. - Dziennik Ustaw Nr 217, poz.1833, zał. 1A oraz zmiany: Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 10 października 2005 r. Dziennik Ustaw Nr 212, poz. 1769; Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 30 sierpnia 2007 r. - Dziennik Ustaw Nr 161, poz. 1142; Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 16 czerwca 2009 r. - Dziennik Ustaw Nr 105, poz. 873; Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 lipca 2010 r. Dziennik Ustaw Nr 141, poz. 950. 33