KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 BARBARA HUTERA*, KRZYSZTOF SMYKSY**, DARIUSZ DROŻYŃSKI** WPŁYW OBNIŻONEJ TEMPERATURY NA ZWILŻALNOŚĆ OSNOWY PRZEZ SPOIWA MAS FORMIERSKICH *** W artykule przedstawiono wyniki badań zwilżalności kwarcu przez wybrane spoiwa mas formierskich. Porównano wyniki pomiarów dynamicznego kąta zwilżania wybranych spoiw w temperaturze 20 C, umownie określonej jako temperatura otoczenia, i temperaturze obniżonej do 10 C. Opisano wersję prototypowego aparatu przeznaczonego do powyższych badań. Przedstawiono propozycję analitycznego opisu czasowych zmian dynamicznego kąta zwilżania. Zwrócono uwagę na znaczenie przedstawionej problematyki dla praktyki przemysłowej. Słowa kluczowe: odlewnictwo, masy formierskie, właściwości spoiw, zwilżalność 1. WSTĘP W odlewnictwie jako spoiwo masy formierskiej stosowane są materiały o różnorodnych właściwościach fizykochemicznych. Różnorodność spoiw jest przyczyną wykorzystywania zróżnicowanych metod badawczych w celu oceny ich kompleksowych właściwości, które decydują o technologicznych właściwościach sporządzonej masy formierskiej, a w konsekwencji o jakości wykonywanych odlewów [12]. Oczywisty jest związek uzyskanych parametrów masy z procesem jej przygotowaniem. Istotna jest kolejność dozowania ciekłych składników, czas mieszania oraz parametry mieszarki. Podczas sporządzania masy występują złożone fizykochemiczne zjawiska na granicy faz. Ich przebieg jest uwarunkowany parametrami osnowy piaskowej i spoiwa [7, 8]. Istotne są: energia powierzchniowa, zależna od stopnia rozwinięcia i morfologii powierzchni osnowy, zdolność osnowy do zwilżania przez ciecz, lepkość oraz napięcie powierzchniowe zastosowanego spoiwa [5, 7]. Dobra zwilżalność osnowy i mała lepkość spoiwa zwiększają prawdopodobieństwo powstawania połączeń nieotoczkowych pomiędzy osnową * Dr ** Dr inż. Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. *** Badania wykonano w ramach projektu badawczego KBN nr 3T08 A 02226.
48 B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński a materiałem wiążącym, nadających masie większą wytrzymałość w porównaniu z połączeniami otoczkowymi [5, 6]. Lepkość i zwilżalność zależą istotnie od temperatury. Na powyższy parametr należy więc zwracać szczególną uwagę w planowaniu badań zwilżalności i lepkości spoiw [3, 4]. Wpływ warunków otoczenia na właściwości masy formierskiej podkreślany jest w szeregu pracach [np. 6, 12, 13]. W praktyce przemysłowej zalecenia technologiczne odnośnie temperatury spoiwa i osnowy nie zawsze są dotrzymywane. Dotyczy to szczególnie okresów zimowych, oddziaływanie obniżonej temperatury wywiera bowiem niekorzystny wpływ zarówno na zwilżalność osnowy, jak i lepkość spoiwa [5, 6]. Poniżej przedstawiono, zmienioną w stosunku do wcześniej opisanej [10], wersję prototypowego aparatu umożliwiającego badanie zwilżalności spoiw także w obniżonej temperaturze. Zestawiono wyniki pomiarów kąta zwilżania wybranych spoiw w temperaturze 20 C i w temperaturze obniżonej 10 C. Zaproponowano zmodyfikowane równanie dobrze opisujące czasowe zmiany kąta zwilżania w szerokim zakresie. Wskazano możliwość skompensowania negatywnego wpływu obniżonej temperatury modyfikacją jego właściwości przez wprowadzenie rozcieńczalnika. W porównaniu z wcześniejszymi publikacjami [4, 6] zaprezentowano uśrednione wyniki obejmujące większa serię badań danego spoiwa (także w zmienionych warunkach temperaturowych) oraz wyniki badań spoiwa epoksydowego z dodatkiem innego rozcieńczalnika. 2. OKREŚLANIE ZDOLNOŚCI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH DO ZWILŻANIA OSNOWY W OBNIŻONEJ TEMPERATURZE 2.1. Metodyka badań Zdolność do zwilżania osnowy ziarnowej przez spoiwo ocenia się na podstawie pomiaru kąta zwilżania [1, 2, 10]. Badanie prowadzi się w warunkach izotermicznych, przy czym obrazy kropli są rejestrowane do momentu osiągnięcia równowagowego kąta zwilżania θ R [7, 10]. Ze względu na proces sporządzania masy formierskiej istotna jest nie tylko wartość kąta θ R zwilżania, ale również przebieg dynamicznych zmian wartości kąta zwilżania θ(τ) [9]. W celu uzyskania możliwie pełnej charakterystyki materiału wiążącego pod względem zwilżalności osnowy niezbędne są więc pomiary kąta zwilżania w szerokim zakresie temperatury [3, 6, 10]. Jako modelową osnowę stosuje się płytki kwarcowe. W badaniach zwilżalności duże znaczenie ma sposób przygotowania powierzchni płytki, na której jest umieszczana kropla spoiwa. Dotyczy to zarówno makroskopowego stanu powierzchni podkładek oraz ich stanu fizykochemicznego zależnego od stopnia oczyszczenia podkładki, ewentualnej aktywacji chemicznej lub cieplnej ich powierzchni. Zagadnienia te opisano w pracach [4, 7, 8].
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej 49 W przypadku układu materiał wiążący osnowa mas formierskich czynnikiem, który należy również brać pod uwagę, jest wilgotność powietrza [10, 13]. 2.2. Prototypowy aparat do badania zwilżalności spoiw Pomiary dynamicznych zmian kąta zwilżania wymagają rejestracji i przetwarzania dużej ilości obrazów. Umożliwia to automatyzacja pomiaru kąta zwilżania i wykorzystanie komputerowych technik przetwarzania obrazów. W publikacji [10] opisano pierwszą wersję prototypowego aparatu wyposażonego w komorę grzewczą umożliwiającą pomiary kąta zwilżania zarówno w temperaturze pokojowej, jak i podwyższonej. Z uwagi na warunki, w jakich mogą być sporządzane masy formierskie, celowe jest również prowadzenie badań w temperaturach obniżonych. W nowej wersji aparatu zastosowano komorę o dwóch funkcjach: grzewczej i chłodzącej (rys. 1). Podstawowe zespoły to: komora termiczna wyposażona w moduł Peltiera, układ optyczny z elementem CCD, sterownik urządzenia oraz system oświetlenia. Z urządzeniem współpracuje komputer PC. Zastosowane oprogramowanie umożliwia przetwarzanie obrazu kropli i odczyt kąta zwilżania. Rys. 1. Widok prototypowego aparatu do badania zwilżalności materiałów wiążących (wersja II); 1 dwufunkcyjna komora aparatu (grzewcza lub chłodząca), 2 układ optyczny z elementem CCD oraz układem pozycjonującym, 3 sterownik, 4 układ oświetlający Fig. 1. View of prototype apparatus for investigation of binding agents wettability (version II): 1 dual-action chamber of apparatus (heating or refrigeration), 2 optical system with CCD element and positioning system, 3 controller, 4 lighting system 2.3. Analiza obrazów kropli Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe obrazy przetworzone programem graficznym w celu wyeksponowania konturów zarejestrowanych obrazów. Zarysy konturów obrazu kropli umożliwiają określenie za pomocą specjalnego pro-
50 B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński gramu prawo- i lewostronnego kąta zwilżania (ustalanego względem poziomej linii odniesienia). Zagadnienia analizy obrazu w celu określenia kąta zwilżania opisano m.in. w pracach [1, 11, 14]. a) b) Rys. 2. Przetworzone obrazy kropli spoiwa epoksydowego na podkładce kwarcowej, temperatura w komorze aparatu- 10 o C: a) początek rejestracji, b) po 2 min, c) po 4 min, d) po 20 min c) d) Fig. 2. Images (after processing) of drop of epoxy binder on quartz plate; temperature in test chamber 10 o C: a) start of testing, b) 2 min. after start, c) 4 min. after start, d) 20 min. after start Analiza obrazów kropli spoiw pozwala stwierdzić, ich zbieżność z konturem odcinka kuli. Na rysunku 3 przedstawiono przykładową analizę położenia współrzędnych odczytanych z zarejestrowanego obrazu kropli z linią stanowiącą kontur odcinka koła zastosowano bezwymiarowy układ współrzędnych. Niewielkie odchylenia od zarysu teoretycznego występowały dla obrazów kropli zarejestrowanych bezpośrednio po jej aplikacji na podkładkę i dotyczyły pomiarów prowadzonych w obniżonych temperaturach (rys. 3). Występuje wówczas zróżnicowanie w oznaczonej (programowo) prawo- i lewostronnej wartości kąta. Można to wytłumaczyć zwiększoną lepkością spoiwa (w obniżonej temperaturze) oraz procesem stabilizacji kropli bezpośrednio po jej aplikacji. Powyższe rozbieżności, uwzględniwszy dokładność metody, można uznać za stosunkowo niewielkie. Pomiary (measurements) Kontur odcinka kuli (outline of spherical segment) 0,4 y/r 0,2 0,0-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x/r Rys. 3. Analiza obrazu kropli spoiwa epoksydowego (rys. 2a) Fig. 3. Analysis of image of drop of epoxy binder (fig. 2a) 2.3. Wyniki pomiarów kąta zwilżania Na rysunkach 4, 6, 7, 8 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów zmian kąta zwilżania wybranych spoiw do momentu ustalenia się kąta równowagowe-
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej 51 go. Starano się wyeksponować różnice występujące pomiędzy czasowymi wykresami zarejestrowanymi dla danego spoiwa w temperaturze umownie przyjętej za pokojową: 20 o C i obniżonej do 10 o C. W większości wypadków serie były kilkakrotnie powtarzane. Ujęcie czasowych zmian kąta zwilżania θ(τ) w formie analitycznej jest utrudnione. Pomimo monotonicznego charakteru krzywych opis danych doświadczalnych za pomocą standardowych funkcji analitycznych stosowanych do opisu linii trendu (dostępnych w arkuszu kalkulacyjnym Excel) nie daje zadawalającej zgodności w całym zakresie przebiegu krzywych [9]. We wcześniejszej pracy [6] do opisu zmian kąta zwilżania w początkowym okresie zastosowano funkcję logarytmiczną. Wbrew oczekiwaniom otrzymanych wykresów nie opisuje również poprawnie cytowana w pracy [14] zależność: cosθ ( τ ) = cosθ (1 a e w której: θ (τ ) chwilowa wartość kąta zwilżania, θ R równowagowa wartość kąta zwilżania: θ R = θ ( ), τ czas, a, b stałe. Rozbieżności występują w początkowym, ważnym okresie zmian kąta zwilżania. Według równania (1) równowaga ustala się szybciej w porównaniu z danymi eksperymentalnymi. Zaproponowana przez autorów modyfikacja równania (1) [9]: cosθ ( τ ) R b τ ), b τ = x (1) cosθ R (1 a e ) (2) gdzie a, b x stałe, pozwala na oddanie zmienności kąta zwilżania w całym zakresie, zwłaszcza na granicach przedziału. Procedurę wyznaczania stałych równania opisano w pracy [9]. Linie ciągłe na rysunkach 4,6,7,8 opisane są za pomocą przekształconego równania (2): b τ θ ( τ ) = arccos( cosθ (1 e x R a )). (3) Wysokie współczynniki korelacji zamieszczone na wymienionych wykresach świadczą o poprawnym opisie danych pomiarowych. Dodatkową korzyścią z analitycznego opisu wyników pomiarów kąta zwilżania jest możliwości oceny szybkości zmian kąta na podstawie pochodnej dθ/dτ (co jest łatwiejsze w porównaniu z numerycznymi procedurami różniczkowania wykresów eksperymentalnych). Przykładowe wykresy dla spoiwa epoksydowego (rys. 4) przedstawiono na rys. 5. Charakterystyczna jest duża dynamika zmian kąta w początkowym okresie, zarówno w temperaturze pokojowej jak i obniżonej. Analiza powyższych wykresów może być dodatkowym kryterium oceny właściwości spoiwa.
52 B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński Kąt zwilżania θ; stopnie 65 55 45 35 Pomiary (measurements)-283 K Model; kr=0,993 Pomiary (measurements)-293 K Model; kr=0,998 25 0 20 40 60 80 100 120 Czas pomiaru τ; min Rys. 4. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: epidian 5, temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki kwarc Fig. 4. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: epoxy resin (epidian 5), temperature: 283 and 293 K, plate material quartz 0 0 0,5 1 1,5 2 dθ/dτ; stopnie/min. -2-4 -6-8 293 K 283 K -10 Czas pomiaru τ; min. Rys. 5. Zależność pochodnej kąta zwilżania dθ/dτ od czasu τ; spoiwo: epidian 5, temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki kwarc Fig. 5. Time (τ) dependence of derivative of wetting angle dθ/dτ ; binder: epoxy resin (epidian 5), temperature: 283 and 293 K, plate material quartz 55 Kąt zwilżania θ; stopnie 45 35 Pomiary (measurements)-283 K Model; kr=0,996 Pomiary (measurements)-293 K Model; kr=0,997 25 0 20 40 60 80 100 120 Czas pomiaru τ; min Rys. 6. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: epidian 5 z rozcieńczalnikiem (5% octanu butylu), temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki kwarc Fig. 6. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: epoxy resin (epidian 5) with diluent (butyl acetate 5%), temperature: 283 and 293 K, plate material quartz
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej 53 Dane z rysunku 6 wskazują, że już stosunkowo niewielki dodatek rozcieńczalnika może zrekompensować niekorzystny wpływ obniżonej temperatury. Potwierdzają to również prace [4, 6, 10]. 35 Kąt zwilżania θ; stopnie 25 Pomiary (measurements)-283 K Model; kr=0,980 Pomiary (measurements)-293 K Model; kr=0,974 15 0 20 40 60 80 100 120 Czas pomiaru τ; min Rys. 7. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: żywica alkilowa (LT-72), temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki kwarc Fig. 7. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: alkyd resin (LT-72), temperature: 283 and 293 K, plate material quartz Wpływ obniżania temperatury na przebieg zmian kąta zwilżania może być słabszy lub silniejszy nawet w obrębie spoiw tego samego rodzaju. Wyniki zamieszczone na rys. 7 wskazują na stosunkowo małą wrażliwość żywicy LT-72 na działanie obniżonej temperatury. Kąt zwilżania θ; stopnie 35 25 15 Pomiary (measurements)-283 K Model; kr=0,99 Pomiary (measurements)-293 K Model; kr=0,95 5 0 20 40 60 80 100 120 Czas pomiaru τ; min Rys. 8. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: szkło wodne, temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki kwarc Fig. 8. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: water-glass, temperature: 283 and 293 K, plate material quartz
54 B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński Przedstawione na rys. 8 czasowe wykresy kąta zwilżania dla szkła wodnego wykazują pewną odrębność w stosunku do spoiw organicznych. Obniżona temperatura wpływa wyraźnie negatywnie na kąt równowagowy, ale wartości kąta na początku pomiarów są zbliżone. Powoduje to większą dynamikę zmian kąta zwilżania w początkowym okresie przy wyższych wartościach temperatury. 3. PODSUMOWANIE Dobra zwilżalność osnowy mas formierskich przez materiał wiążący jest, oprócz lepkości, jednym z parametrów wpływających pozytywnie na właściwości sporządzanej masy formierskiej. W artykule przedstawiono charakterystykę prototypowego aparatu, umożliwiającego prowadzenie pomiarów kąta zwilżania także w temperaturze obniżonej (w stosunku do temperatury pokojowej). W aspekcie sporządzania mas formierskich kierunek oddziaływania obniżonej temperatury na zwilżalność osnowy piaskowej jest niekorzystny. Obniżona temperatura wpływa także negatywnie na lepkość spoiwa [4, 5]. Przytoczone rezultaty oceny zwilżania kwarcu przez wybrane spoiwa w temperaturze obniżonej wykazały w większości wypadków wzrost równowagowego kąta zwilżania. Wraz z obniżeniem temperatury występują również istotne zmiany dynamiki przebiegu zjawiska zwilżania, zwłaszcza w początkowym okresie. Rezultaty wykonanych pomiarów czasowych zmian kąta zwilżania dobrze opisuje zaproponowana zależność. Planowane, dalsze badania i analizy umożliwią określenie wpływu warunków badań na parametry występujące w tym równaniu. Negatywny wpływ obniżonej temperatury może być skompensowany dodatkiem rozcieńczalnika. LITERATURA [1] Adamczyk Z., Karwiński A., Para G., Charakterystyka fizykochemiczna spoiw i ciekłych mas ceramicznych stosowanych w odlewnictwie, Kraków, Wyd. Instytutu Odlewnictwa 1999. [2] Bikerman J. J., The Science of Adhesive Joints, New York London, Acad. Press 1961. [3] de Ruijter M., Kölsch P., Voué M., de Coninck J., Rabe J. P., Effect of temperature on the dynamic contact angle, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 1998, 144, s. 235 243. [4] Hutera B., Dynamika zwilżania kwarcu przez spoiwo epoksydowe, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2005, vol. 25, nr 1, s. 31 40. [5] Hutera B., Temperature influence on viscosity of selected foundry binders, Archives of Foundry, 2003, r. 3, nr 9, s. 203 208. [6] Hutera B., Wpływ temperatury i dodatku nieaktywnych rozcieńczalników na dynamikę zwilżania kwarcu przez żywicę Epidian 5, Przegląd Odlewnictwa, 2005, nr 6, s. 384 389. [7] Hutera B., Lewandowski J. L., Zjawiska na granicy faz: osnowa kwarcowa żywica syntetyczna, in: Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Materiały III Konferencji, Poznań Kołobrzeg 1996, s. 99 105.
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej 55 [8] Hutera B., Lewandowski J. L., Para G., Wpływ sposobu przygotowania powierzchni kwarcu na wartość kąta zwilżania tego materiału przez składniki ciekłego spoiwa, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2001, vol. 21, nr???, s. 79 86. [9] Hutera B., Smyksy K., Wybrane aspekty opisu czasowych zmian kąta zwilżania osnowy przez materiały wiążące, in: Wydział Odlewnictwa AGH, XXX Konferencja Naukowa, Kraków 2006, s. 447 452. [10] Hutera B., Smyksy K., Lewandowski J. L., Drożyński D., Wybrane aspekty oznaczania zwiżalności osnowy przez materiały wiążące stosowane w masach formierskich, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2003, vol. 23, nr 1, s. 63 70. [11] Kucharski M., Fima P., Skrzyniarz P., Przebinda-Stefanowa W., Surface tension and density of {Cu-Ag}, {Cu-In} and {Ag-In} alloys, Archives of Metallurgy and Materials, 2006, vol. 51, iss. 3, s. 389 397. [12] Lewandowski J. L., Tworzywa na formy odlewnicze, Kraków, Akapit 1997. [13] Zych J., Oddziaływanie warunków atmosferycznyc na stan wierzchniej warstwy form piaskowych wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi, Archiwum Odlewnictwa, 2006, r. 6, nr 22, s. 576 581. [14] Żenkiewicz M., Adhezja i modyfikacja warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, Warszawa, WNT 2003. Praca wpłynęła do Redakcji 14.05.2007 Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski INFLUENCE OF LOWERED TEMPERATURE ON WETABILITY OF QUARTZ GRAINS BY BINDERS USED IN MOULDING SANDS Summary In the paper some results of investigation of wettability of quartz by selected binders used in moulding and core sand have been presented. The comparison of measurements of dynamic contact angle of chosen binders at ambient 20 o C and lowered temperature 10 o C has been done. The prototype apparatus for such experiments has been described. The proposal of change of dynamic contact angle description has been given. The importance of that problems for foundry technology has been mentioned. Key words: foundry engineering, moulding sands, binder properties, wettability
56 B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński