Solidification of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN 0208-9386 ANDRZEJ BALJŃSKI, JAN LECH LEWANDOWSKI, KRZYSZTOF SMYKSY, BARBARA HUTERA NOWY APARAT DO POMIARU SIŁ ADHEZJI I KOHEZJI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH Opisano nowy aparat do pomiaru sił adhezji i kohezji materiałów wiążących stosowanych w odlewnictwie. Doboru podstawowych parametrów urządzenia dokonano na podstawie zaproponowanej metodyki badań. Zwrócono uwagę na możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań aparatu. l. WPROW ADZENIE Znajomość właściwości materiałów wiążących jest niezbędna do ksztahowania ich struktury oraz optymalizacji ich zawartości w masie formierskiej. Różnorodność stosowanych materiałów wiążących, złożoność zjawisk fizycznych, chemicznych oraz fizykochemicznych zachodzących podczas procesu ich wiązania niewątpliwie utrudnia opracowanie metodyki ich badania. O wytrzymałości masy formierskiej decyduje szereg czynników [3, 4]. Wśród nich duże znaczenie mają również wielkości charakteryzujące material wiążący: wytrzymałość kohezyjna oraz adhezyjna (na granicy osnowa -materiał wiążący). Miarodajny pomiar tych właściwości jest możliwy jedynie na próbkach o jak najmniejszych wymiarach geometrycznych [2, 5]. W próbkach tych prawdopodobieństwo wystąpienia wad typu nieciągłości struktury, skurczowych, niejednorodności materiału wiążącego, itp., jest znacznie mniejsze niż w próbkach o większych wymiarach. Wartości określone w wyniku takich pomiarów można wówczas wykorzystać jako kryterium oceny materiału wiążącego. Na rysunku l przedstawiono ksztah i główne wymiary geometryczne próbek stosowanych w badaniach właściwości adhezyjnych i kohezyjnych różnorodnych materiałów wiążących [ 1-5]. Przykładowe wyniki - rys. 2, wskazują na istotną zależność wytrzymałości kohezyjnej spoiwa od wymiaru charakterystycznego (grubości) próbki. Zmniejszenie wymiaru charakterystycznego próbki prowadzi do wzrostu wytrzymałości kohezyjnej. Analogiczny wniosek można wysnuć na podstawie przeprowadzonych przez autorów badań wytrzymałości adhezyjnej [l, 2, 3]. dr inż. - Instytut Odlewnictwa w Krakowie prof. dr hab.inż.-akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków dr inż. - Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków dr - Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
244 Andrzej Baliński, Jan Lech Lewandowski, Krzysztof Smyksy, Barbara Hutera a) b) c) d) ',--.;. wf ---.;. LO N d=0,25-0,5 Rys.!. Kształt oraz podstawowe wymiary geometryczne próbek stosowanych w badaniach wytrzymałości adhezyjnej (a, c) i kohezyjnej (b, d) materiałów wiążących [1-S]; a, b - bentonit w stanie wysuszonym, c, d - żywica syntetyczna; l - material wiążący, 2 - kwarc, 3 - uchwyt Fig. l. Shape and basie dimensions of specimens applied in testsof adhesion (a,c) and cohesion (b, d) hinding materials strength [l-s]; a, b - dried bentonite, c, d - synthetic resin; l - binding materiał, 2 - quartz, 3 - holder Wartości wytrzymałości adhezyjnej i kohezyjnej spoiw uzyskane w powyższych badaniach [ l, 2, 5] są macme, jednak z uwagi na małe wymiary próbek wartości sił zrywających są stosunkowo niewielkie. Szczególnie na dolnej granicy zakresu określanych wielkości. Stwarza to duże wymagania odnośnie do precyzji urządzenia mierzącego siły adhezji i kohezji. 60 50 40 7 30 -'< b 20 lo o Jlcrk = 66,69e - 2 ' 35 h',k = 0,90 )........ ł ---..._ o 2 4 6 8 10 12 h, x!o [mm] Rys. 2. Wplyw gmbości próbki- h, na wytrzymałość kohezyjną- crk żywicy B-l (S] Fig. 2. EfTect o f specimen thickness- h, on cohesion strength- crk o f B-l resin (5]
Nowy aparat do pomiarn sil adhezji i kohezji materiałów wiążących 245 2. CHARAKTERYSTYKA APARATU Z uwagi na działanie podstawowego zespołu aparatu - mechanizmu obciążania próbek, może on być określony jako precyzyjna maszyna wytrzymałościowa. W pełnej wersji urządzenia przewidziano wyposażenie go w dodatkowe układy pomiarowe oraz odpowiednie oprogramowanie zdecydowanie rozszerzające możliwości badawcze. Wśród nich wymienić można zespół pomiaru wymiarów liniowych badanych próbek oraz zespół pomiaru i analizy powierzchni niszczenia próbek. Uproszczony schemat urządzenia przedstawiono na rysunku 3. 5 Rys.3. Schemat aparatu do pomiam sil adhezji i kohezji materiałów wiążących ; l - podstawa, 2 - prowadnica, 3 - śmba napędowa, 4 - belka mchoma, 5 - belka niemchoma, 6 - uchwyt próbek, 7 - czujnik siły, 8 - siłnik elektryczny, 9 - czujnik krańcowy, 10 - czujnik przemieszczenia (CCD), 11- zestaw komputerowy, 12 -sterownik Fig.3. Scheme of apparatus for measuring of adhesive and cohesive forces of binding materiał ; l - base, 2 - slidc bar, 3 - power screw, 4 - movable traverse, 5 - immovable traverse, 6 - specimen hołder, 7 - strain gauge, 8 - electromotor, 9 - position detecting element, lo- displacement sensor (CCD), 11- computer system, 12- controłłer W aparacie można wyróżnić dwa podstawowe systemy : mechaniczny i eleko roniczny. Elementy układu mechanicznego to: korpus urządzenia wraz z prowadzeniami belki ruchomej oraz uchwytami próbek, mechanizn1 obciążania próbek - zespół przekładni z silnikiem napędowym. Małe wymiary geometryczne badanych próbek narzucają szczególne wymagania w stosunku do precyzji wykonania zespołu obciążania. W mechanizn1ie przemieszczania uchwytu ruchomego zastosowano precyzyjne prowadnice współpracujące z łożyskami
246 Andnej Baliński, Jan Lech Lewandowski, Krzysztof Smyksy. Barbara Hutera liniowymi oraz przekładnią śrubowo-toczną. System elektroniczny urządzenia obejmuje zespoły: sterowania napędem mechanicznym (pracą silnika krokowego), przetwarzania sygnałów z czujników pomiarowych i układ nadzoru pracy zespołów. Zespół sterowania pracą napędu umożliwia realizację różnorodnych wariantów obciążania próbki (np. z 'zadaną prędkością, według określonej funkcji czasu lub położenia ). Podstawowe czujniki pomiarowe układu to: wymienne czujniki siły, liniał optyczny do pomiaru przemieszczenia belki ruchomej, czujniki do pomiaru wymiarów charakterystycznych próbek. Analiza oraz określenie powierzchni niszczenia próbek może być zrealizowana w kilku wariantach: w oparciu o wzorzec CCD, kamerę lub skaner. Sygnały z czujników pomiarowych zapisywane w pamięci sterownika, a następnie mikrokomputera klasy PC, pełniącego rolę jednostki nadrzędnej. W badaniach sił adhezji i kohezji spoiw nie są wymagane duże przemieszczenia. W celu umożliwienia pomiarów właściwości wytrzymałościowych innych tworzyw zwiększono zakres przesuwu belki ruchomej. Z tych samych powodów rozszerzono znacznie zakres prędkości przesuwu. Parametr ten ma istotny wpływ na uzyskiwane rezultaty badań właściwości wytrzymałościowych [2, 5]. Świadczą o tym również przykładowe rezultaty badań testujących, przeprowadzonych na prototypie aparatu -rys. 4, 5. 100 80 z 60 ri: 40 20 o o 20 40 60 80 i i -r;s Rys. 4. Przebiegi czasowe siły kohezji - Fk; material próbek: guma, prędkość przemieszczania uchwytu ruchomego: a) lo nun/min, b) 5 nun/min Fig. 4. The time nm of cohesion force - Fk ; specimens materiał: rubber, velocity of movablc hol der: a) l O nun per min, b) 5 nun per min. Zmianę prędkości od bardzo małych wartości do stosunkowo dużych umożliwia odpowiednia konstrukcja przekładni oraz system sterowania pracą silnika. Możliwość regulacji prędkości w trakcie pomiaru ma duże znaczenie dla rozszerzenia programu badań właściwości adhezyjnych i kohezyjnych spoiw.
Nowy aparat do pomiarn sił adhezji i kohezji materiałów wiążących 24 7 350 300 250 z 200 _,:; 150 '"'"' 100 50 o o 2 4 6 8 lo Rys. 5. Przebiegi czasowe siły kohezji - Fk ; materiał próbek: polimetakrylan metylu, prędkość przemieszczania uchwytu ruchomego: a) 10 nun/min, b) 5 mm/min Fig. 5. The time nm of cohesion force - Fk ; specimens materia!: polymethyl methacrylate, velocity ofmovable holder: a) lo nun per min., b) 5 mm per min. t; s Wybór wartości maksymalnej siły obciążającej (5 kn) by! podyktowany analizą uzyskanych dotychczas rezultatów badań właściwości kohezyjnych i adhezyjnych spoiw [1-5] oraz dążeniem do zwiększenia uniwersalności urządzenia. Parametry aparatu umożliwiają badanie wielu tworzyw sztucmych z zastosowaniem zalecanych wymiarów próbek, jak też badań mas formierskich wykonywanych na standardowych aparatach wytrzymałościowych. Ze względu na dokładność pomiarów oraz możliwość zmian prędkości obciążania aparat stwarza w tym zakresie nowe jakościowo możliwości badawcze. 3. PODSUMOW ANIE Przeprowadzone wstępne badania testujące prototypu aparatu dały pozytywne rezultaty. Koncepcja urządzenia została opracowana z myślą o pomiarach sił adhezji i kohezji materiałów wiążących stosowanych w masach formierskich i rdzeniowych [6], wykonany prototyp') stwarza jednak możliwość macm1e szerszego zakresu jego wykorzystania. Do zalet aparatu należy zaliczyć jego modułową budowę oraz możliwość dalszej rozbudowy systemu. Aktualnie opracowywane jest specjalistycme oprogramowanie mające na celu ułatwienie obsługi urządzenia. 'l Prototyp aparatu wykonano w ramach grantu celowego nr 8 8738 94 CI 1875.
248 Andrzej Baliński, Jan Lech Lewandowski, Krzysztof Smyksy, Barbara Hutera LITERATURA [l] Balit1ski A., Szolc M.: Zmiana adhezji układów spoiwo - utwardzacz pod wpływem zastosowania wybranych modyfikatorów, w aspekcie własności wytrzymałościowych mas fom1ierskich i rdzeniowych. Materiały ill Konferencji " Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych", PAN, ITM Politeclmiki Poznat1skiej, Kołobrzeg 1996, s. 7-15. [2 ] Hutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości adhezyjnych spoiw do podłoża kwarcowego. Praca naukowo- badawcza AGH nr 1.170.35, Kraków 1993. [3] Ilutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Wybrane aspekty metodyki oznaczania właściwości wytrzymałościowych układu kwarc - material wiązący - kwarc. Krzepnic;:cie Metali i Stopów, nr26, 1996,s. 217-223. [4] Hutera B.: 1l1e Bonndary Cases of Bonds Formation and Modełs of their Destruction. Metałlurgy and Foundry Engineering, No.3, 1995, pp. 225-232. [5] Lewandowski L., Hutera B., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości kohezyjnych spoiw organicznych. Praca naukowo- badawcza AGH nr 1.170.79, Kraków 1994. [6] Lewandowski L., Smyksy K., Hutera B., Dro żyński D.: Opracowanie zalożei1 konstrukcyjnych aparatu do oznaczania sil adhezji i kohezji. Praca naukowo- badawcza AGI l nr 1.170.140, Kraków 1995. Andrzej Balii1ski Jan Lech Lewandowski Krzysztof Smyksy Barbara Hutera Thc new apparatus for mcasuring o f adhesive and cohcsivc forces o f binding matcrials Summary TilC main characteristics of new apparatus for measuring of adhesive and cohesive force of binding materiałs used in foundry engineering has been described. The choice of basie parametersof devices on the base o f proposed methodology o f tests has done. The possibilities o f increasing o f the application range o f apparatus have emphasised.