31/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ANALIZA DEFORMACJI CIEPLNEJ MAS Z ZASTOSOWANIEM APARATU DMA J. JAKUBSKI 1, St. M. DOBOSZ 2 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków, Polska. STRESZCZENIE Deformacja cieplna mas ma decydujące znaczenie dla jakości otrzymywanych odlewów. Niewłaściwy dobór masy powoduje powstawanie wielu wad odlewniczych, które dyskwalifikują odlewy jako nieprzydatne w eksploatacji. W artykule podjęto próbę określenia wpływy rodzaju spoiwa na zachowanie mas w czasie odkształcania cieplnego z zastosowaniem aparatu DMA. Key words: hot distortion, thermal degradation, core sands 1. WPROWADZENIE Spoiwa stosowane obecnie w odlewnictwie mają szeroką rozpiętość właściwości. W czasie przygotowania mas należy przyjąć szereg kryteriów, aby dokonać właściwego wyboru.. Istnieją żywice dobrze współdziałające z osnową ziarnową i dające wysokie wytrzymałości rdzeni w temperaturze otoczenia, łatwe do transportu i przenoszenia, a jednak mało przydatne dla zastosowania w odlewnictwie. Powodem tego może być ich raptowne i duże odkształcenie cieplne oraz wysoka gazotwórczość w czasie nagrzewania. Wszystko to wynika z właściwości jakie spoiwa mają w wysokich temperaturach. Ponieważ w większości przypadków jako osnowę masy stosuje się piasek kwarcowy z powodu jego konkurencyjnej ceny; zachowanie mas w czasie oddziaływania cieplnego zależy głównie od rodzaju użytego spoiwa. Odpowiedni dobór żywicy pozwala na uzyskanie rdzeni o dużej wytrzymałości cieplnej i mechanicznej. 1 mgr inż., jakubski@tempus.metal.agh.edu.pl 2 prof. nadzw. dr hab. inż., dobosz@uci.agh.edu.pl
247 W artykule przedstawiono badania nowego parametru hot distortion z zastosowaniem aparatu DMA, dla mas z żywicami mocznikowo-furfurylowymi o różnej zawartości alkoholu furfurylowego. 2. PARAMETR HOT DISTORTION Parametr ten symuluje zachowanie się gotowych rdzeni w czasie nagrzewania. W czasie oddziaływania cieplnego w rdzeniach zachodzi wiele różnych zjawisk, jak na przykład deformacja cieplna (rozszerzanie i kurczenie), termoplastyczność, destrukcja cieplna i mechaniczna, które w sumie decydują o końcowym kształcie odlewu, jego dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni a ostatecznie o jakości produkowanych odlewów. W próbie hot distortion kształtka masy jest umieszczona na wsporniku i silnie nagrzana na środku po jednej stronie. W wyniku różnicy w rozszerzalności cieplnej pomiędzy nagrzaną i zimną powierzchnią, kształtka odkształca się od źródła ciepła. Ta wielkość odkształcenia jest mierzona i rejestrowana na wykresie. Do wolnego końca kształtki przykładany jest czujnik, który rejestruje zmiany odkształcenia. Na skutek termoplastycznej natury wiązania podczas nagrzewania osiągany jest punkt, gdzie utwardzona masa nie może się dłużej odkształcać przy obciążeniu, po czym następuje odkształcenie w przeciwnym kierunku. Wielkość tego przeciwnego odkształcenia także jest mierzona i rejestrowana na wykresie. Ostatecznie dalszy rozkład wiązania objawia się całkowitą utratą wytrzymałości i uplastycznieniu kształtki [1]. 3. APARAT DMA W wyniku realizacji projektu badawczego nr 7 T08B 005 21, kierowanego przez prof. dr hab. inż. Stanisława M. Dobosza na Wydziale Odlewnictwa AGH we współpracy z firmą MULTISERW Morek, wykonano prototypowe urządzenie o nazwie DMA, służące do pomiarów parametru hot distortion. W porównaniu z nielicznymi, znanymi urządzeniami o podobnej zasadzie działania aparat ten został wyposażony w szereg nowoczesnych rozwiązań, które mają na celu umożliwić jak najlepszy pomiar zachowania masy w czasie oddziaływania cieplnego, przy różnych warunkach nagrzewania. Na rysunku 1 przedstawiony jest ogólny widok aparatu. Szczegółowy opis aparatu przedstawiono w oddzielnej publikacji [2]. 4. MATERIAŁY DO BADAŃ Badania prowadzono dla sypkich mas samoutwardzalnych z żywicami o różnej zawartości alkoholu furfurylowego. Do badać użyto wzorcowy piasek kwarcowy z kopalni Jaworzno Szczakowa, a jako materiały wiążące zastosowano: - żywicę mocznikowo-furfurylową Askuran 40 z utwardzaczem Hartner GS II; - żywicę mocznikowo-furfurylową Askuran F 336/1 z utwardzaczem Hartner GS II; - żywicę mocznikowo-furfurylową U 404U z utwardzaczem 100 T3.
248 Skład żywic przedstawiony jest w tabeli 1. Rys. 1. Aparat do pomiaru odkształceń mas w podwyższonych temperaturach, typ DMA Fig.1. Apparatus for distortion measure of core sands in high temperatures, type DMA Tabela 1. Skład chemiczny spoiwa Table 1. Chemical constitution of binders Nr Rodzaj spoiwa Wolny formaldehyd, [%] 1 Żywica mocznikowo-furfurylowa Askuran F 336/1 2 Żywica mocznikowo-furfurylowa Askuran 40 3 Żywica mocznikowo-furfurylowa U 404U 5. BADANIA WŁASNE Alkohol furfurylowy, [%] Azot, [%] 0,2 85 <0,5 <0,2 75 77 3,5 0,15 0,20 75 0,8 1,2 Badania wytrzymałości na zginanie przeprowadzono na uniwersalnym aparacie do pomiaru wytrzymałości mas formierskich typ LRu-2e. Charakterystyki parametru hot distortion określono na prototypowym urządzeniu DMA w Zakładzie Tworzyw Formierskich i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie. Przeprowadzone badania wytrzymałości na zginanie (rys. 2) pokazują, że po 24 godzinach w temperaturze otoczenia najwyższą wytrzymałość uzyskały kształtki z żywicą Askuran 40. Pozostałe wyniki są do siebie zbliżone. Można stwierdzić, że ilość
Wytrzymałość na zginanie Rg, [MPa] 249 alkoholu furfurylowego w żywicy w zastosowanym zakresie - nie ma bezpośredniego przełożenia na poprawę wytrzymałości mechanicznej masy. Zmienia natomiast kinetykę wiązania, dla kształtek z żywicą Askuran F 336/1 wytrzymałość na zginanie po 1 godzinie jest większa niż dla mas z żywicą Askuran 40 i U 404U i sięga 2 MPa. Generalnie jednak badane masy mają zbliżone właściwości wytrzymałościowe. U 404U Askuran 40 Askuran 336 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 1 2 3 24 czas odstawania, [h] Rys. 2. Wpływ czasu odstawania na wytrzymałość na zginanie R g u dla mas o różnym składzie. Fig. 2. Influence of leaving time on bending strength for different constitution of core sands. Badania parametru hot distortion przeprowadzone na aparacie DMA pokazują, że zawartość alkoholu furfurylowego ma natomiast wpływ na zachowanie się mas w czasie oddziaływania cieplnego. Do temperatury około 240 ºC kształtki wykonane z badanych mas nie wykazują wyraźnych różnic w zachowaniu. Jedynie krzywa dla masy z żywicą U 404U ma nieco odmienny przebieg. Po przekroczeniu temperatury 240 ºC kształtki zaczynają się odkształcać ku górze. Ma to związek głównie z rozszerzalnością cieplną piasku kwarcowego. Krzywa dla masy z żywicą U 404U dość szybko ulega załamaniu. Spowodowane jest to destrukcją cieplną spoiwa. Krzywe dla mas z żywicą Askuran 40 i Askuran F 336/1 mają w zakresie temperatur powyżej 240 ºC nieco inny przebieg. Widać tu bardzo wyraźne odkształcanie się ku górze, a następnie po osiągnięciu maksymalnej wielkości odkształcenia następuje załamanie, które jest związane z całkowitym rozkładem termicznym spoiwa. Brak tutaj łagodnego zmniejszenia odkształcenia pochodzącego od termoplastycznych cech spoiwa. Charakterystyka masy z żywicą Askuran F 336/1 ma łagodniejszy przebieg niż krzywa dla żywicy Askuran 40 i osiąga wyższy zakres temperatur. Świadczy to o lepszej odporności na obciążenie termiczne spoiwo pomimo ciągłego nagrzewania utrzymuje na tyle dużą
Odkształcenie, [mm] 250 wytrzymałość, że efekt pochodzący od rozszerzalności cieplnej jest mniejszy, niż dla masy z żywicą Askuran 40. Askuran 336 Askuran 40 U 404U 3 2 1 0-1 40 140 240 340 440-2 -3-4 -5-6 Temperatura, [C] Rys. 3. Odkształcenie cieplne mas z żywicami o różnej zawartości alkoholu furfurylowego. Fig. 3. Thermal deformotion of core sands with binders containing different range of furfuryl alcohol Potwierdza to pogląd, że temperatura destrukcji cieplnej żywicy jest tym niższa, im mniej alkoholu furfurylowego zawiera żywica [3,4]. W tabeli 2 pokazano wielkość i czas potrzebny do osiągnięcia maksymalnej wielkości odkształcenia. Żywice Askuran odkształcają się w dużo większym stopniu, niż żywica U 404U. W dalszym etapie badań przeprowadzone zostaną testy dla żywic o niższych zawartościach alkoholu furfurylowego w celu potwierdzenia przedstawionych wyników. Tabela 2. Wielkość odkształcenia mas w czasie pomiaru hot distortion Table 2. The size of deformation during measure of hot distortion Czas do osiągnięcia maksymalnej. wielkości Nr Rodzaj spoiwa odkształcenia, [s] Maksymalna. Wielkość odkształcenia, [mm] 1 Askuran 336 123 2,912 2 Askuran 40 115 2,377 3 U404U 84,2 0,395
251 6. PODSUMOWANIE Zastosowanie aparatu DMA do badań mas formierskich i rdzeniowych stwarza możliwości lepszego doboru spoiwa w zależności od wymagań stawianych formom, co przekłada się na jakość odlewów. Przedstawione badania pokazują, że różnice w składzie chemicznym żywicy nie mające istotnego wpływu na właściwości mechaniczne w temperaturze otoczenia, mogą bardzo wyraźnie zmieniać zachowanie rdzeni i form w czasie oddziaływania cieplnego. LITERATURA [1] J. Jakubski, St. M. Dobosz: Badanie zjawisk wysokotemperaturowych w rdzeniach odlewniczych, DOKSEM 2001, Słowacja, Súl ov, 2001, s. 55 59. [2] St. M. Dobosz, J. Morek: Aparat DMA do badania zjawisk wysokotemperaturowych w masach rdzeniowych, Materiălové inžinierstvo, w druku. [3] J. L. Lewandowski: Tworzywa na formy odlewnicze, Wydawnictwo Akapit, Kraków, 1997. [4] P. H. R. B. Lemon, A. D. Morgan, C. Terron, J. Youren: High-temperature Properties of Furane Cold-set Resin, Foundry Trade Journal, April 1973, p. 423 434. ANALYSIS OF THERMAL DEFORMATION OF CORE SANDS USING APPARATUS DMA SUMMARY Thermal defornation of core sands has deciding mining for quality of casts. Improper choice of core sands producing many casts defect. This defects disqualify casts as useless in using. In this article it was tested using apparatus DMA how chemical constitution of binders influence on behaviour of core sands during thermal distortion. Recenzował Prof. Zenon Ignaszak