33/31 Solidifil(lltion of Metais and Alloys, No. JJ, 1997 Krzepnięcie Metali i SIO(IÓIV, N1 33, 1997 PAN- Oddział Katowiec PL ISSN 02011-93!16 WYBRANE ASPEKTY DZIAŁANIA AP ARA TU DO POMIARU SIL ADHEZJI I KOHEZJI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH BALIŃSKI Andrze/l, SMYKSY Krzysztof, LEWANDOWSKI Jan Lech, HUTERA Barbara 'llnstytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków Streszczenie Przedstawiono charakterystykę nowego aparatu do pomiaru sił adhezji i kohezji materiałów wiążących (głównie żywic syntetycznych) stosowanych w odlewnictwie. W aspekcie przyjętej metodyki badai1 zaprezentowano przesłanki doboru parametrów aparatu. Zwrócono uwagę na główne czynniki warunkujące prawidłową pracę urządzenia. W zarysie przedstawiono możliwości rozszerzenia zakresu zas tosowań aparatu. l. Wprowadzenie Określenie właściwości wytrzymałościowych materiałów wiążących stosowanych w odlewnictwie ma duże znaczenie dla praktyki przemysłowej. Znajomość tych właściwości jest konieczna do kształtowania struktury tych materiałów, do opracowania nowych materiałów wiążących oraz optymalizacji ich zawartości w masie formierskiej. Różnorodność stosowanych materiałów wiążących, złożoność zjawisk fizycznych, chemicznych oraz fizykoche1nicznych zachodzących podczas procesu ich
223 wiązania niewątpliwie utrudnia opracowanie metodyki ich badania. Z punktu v.~dzenia wytrzymałości masy formierskiej celowe jest określenie dwóch wielkości charakteryzujących materiał wiążący: wytrzymałości kohezyjnej oraz adhezyjnej (na granicy osnowa-materiał wiążący). Jak wynika z analizy danych źródłowy ch oraz wcześniejszych prac badawczych [1,2,3,4,10], miarodajny pomiar tych właściwości jest możliwy jedynie na próbkach o jak najmniejszych wymiarach geometrycznych. W takich próbkach prawdopodobieństwo wystąpienia wad typu nieciągłości struktury, spowodowanych skurczem, niejednorodnością materiału wiążącego, itp., jest znacznie mniejsze niż w próbkach o większych wymiarach. Uzyskane w wyniku pomiaru wartości można wówczas z przybliżeniem traktować jako stałe materiałowe i wykorzystać je jako kryterium oceny materiału wiążącego. Mogą być również danymi wyjściowymi w obliczeniach wytrzymałości modelowych połączeń materiał wiążącyosnowa [7,8]. W wyniku przeprowadzonych przez autorów badań [1,4,10) uzyskano istotną zależność właściwości adhezyjnych kohezyjnych spoiw od wy1maru charakterystycznego (np. grubości) próbki. Ogólnie można stwierdzić, że wraz ze zmniejszeniem wymiaru charakterystycznego uzyskiwano wzrost wytrzymałości adhezyjnej jak i kohezyjnej. Jakkolwiek wartości wytrzymałości adhezyjnej i kohezyjnej spoiw uzyskane w badaniach - l do 60 MPa, są stosunkowo duże, to z uwagi na małe wymiary próbek (powierzchnia niszczenia nawet poniżej 1 mm 2 ) wartości sił są stosunkowo niewielkie (zwłaszcza na dolnej granicy zakresu określanych wielkości). Przyjęta metodyka badawcza narzuca więc duże wymagania odnośnie do precyzji urządzenia mierzącego siły adhezji i kohezji. Bardzo ważny jest również sposób sporządzania próbek i dobór parametrów pomiaru (np. prędkości obciążania) uwzględniający właściwości reologiczne badanego materiału. 2. Ogólna charakterystyka aparatu. Z punktu widzenia działania podstawowego zespołu aparatu - mechanizmu obciążania próbek, może on być określony jako precyzyjna maszyna wytrzymałościowa. W wersji rozszerzonej przewiduje się wyposażenie aparatu w dodatkowe układy pomiarowe, które w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem
224 stwarzają nowąjakość w działaniu urządzenia. Wśród tych układów wymienić można zespół pomiaru wymiarów liniowych badanych próbek, istotny dla określenia ich wymiaru charakterystycznego oraz zespół pomiaru i analizy powierzchni niszczenia próbek. Uproszczony schemat blokowy rozwiniętej wersji urządzenia przedstawiono na rysunku l, natomiast schemat konstrukcyjny zespołu obciążania na rysunku 2. :--~-- - - - - : ------1 : A : : : : ~ l J i : ~ i! L l l 1 E 1 ~- --J _ j Rys. l. Uproszczony schemat blokowy aparatu; 1- czujnik siły, 2- czujnik przemieszczenia, 3- czujniki położenia (zbłiżeniowe), 4- silnik krokowy, 5- czujniki dodatkowe (np. pomiaru grubości próbek), 6- zespół sterowania pomiarem, 7- zespół komputerowy; A- zespół zasilania przetwomików, B- zespół przetwarzania sygnałów, C- zespół sterowania pracą napędu, D- zespół obsługi stanów awaryjnych, E- Układ nadzoru pracy zespołów Wszystkie sygnały z czujników pomiarowych (rys.l) przetwarzane są przez przetworniki analogowo-cyfrowe i zapisywane w pamięci sterownika, a następnie mikrokomputera klasy PC, pełniącego rolę jednostki nadrzędnej. W aparacie można wyróżnić dwa podstawowe systemy : mechaniczny i elektroniczny. Główne elementy układu mechanicznego to : korpus urządzenia wraz z prowadzeniami belki ruchomej oraz uchwytami próbek, mechanizmem obciążania próbek (zespół przekładni z silnikiem napędowym). Małe wymiary geometryczne badanych próbek narzucają szczególne wymagania w stosunku do prostoliniowości przemieszczania uchwytu ruchomego, z uwagi na możliwość wystąpienia naprężeń
225 złożonych w badanej próbce. W mechanizmie przemieszczania uchwytu ruchomego zastosowano precyzyjne prowadnice współpracujące z łożyskami liniowymi oraz przekładnią śrubowo-toczną (w układzie symetrycznym- rys.2). / Q_ r----7---~--.,----+---:-----, --- Rys.2. Schemat układu mechanicznego aparatu; 1- podstawa (z zabudowaną przekładnią), 2- kolumny prowadzące, 3- zespół przekładni śrubowo-tocznej, 4- belka ruchoma, 5- belka nieruchoma, 6- uchwyty próbek, 7- czujnik siły, 8- silnik napędowy, 9-liniał optyczny, 10- impulsowy przetwornik przemieszczenia liniowego, 11- czujnik krańcowy położenia górnego, 12- czujnik krańcowy położenia dolnego. W badaniach sił adhezji i kohezji spmw me są wymagane duże przemieszczenia, celowo jednak rozszerzono zakres przesuwu belki ruchomej (strefa pomiaru - 350 mm), aby umożliwić pomiary właściwości wytrzymałościowych innych tworzyw (również tych o dużych odkształceniach bezwzględnych), a tym samym rozszerzyć zakres możliwych zastosowań urządzenia. Z tych samych powodów rozszerzono znacznie zakres prędkości przesuwu belki ruchomej (0.1 do 500 mm/min). Zmianę prędkości od bardzo małych wartości do stosunkowo dużych umożliwia
226 odpowiednia konstrukcja przekładni, jak również zastosowany system sterowania pracą silnika Możliwość płynnej zmiany stosowanej prędkości ma duże znaczenie dla rozszerzenia programu badań właściwości adhezyjnych i kohezyjnych spoiw. Z analizy materiałów źródłowych [7,9] wynika, że parametr ten ma istotny wpływ na uzyskiwane rezultaty badań właściwości wytrzymałościowych. Przyjęty zakres prędkości obejmuje większość wartości prędkości stosowanych w badaniu tworzyw sztucznych. Wybór wartości siły obciążającej był podyktowany nie tylko analizą uzyskanych dotychczas rezultatów badań właściwości kohezyjnych i adhezyjnych spoiw [2,3,4,5], lecz także dążeniem do zwiększenia uniwersalności urządzenia. Możliwe jest przeprowadzenie na nim badań wielu tworzyw sztucznych z zastosowaniem zalecanych wymiarów próbek. Dodatkową korzyścią wynikającą ze zwiększenia zakresu siły obciążającej (do 5 kn) jest możliwość przeprowadzenia wszystkich rodzajów badań mas formierskich wykonywanych na standardowych aparatach wytrzymałościowych. Z uwagi na dokładność pomiarów siły i odkształcenia, jak również na możliwość zmian prędkości obciążenia, aparat stwarza nowe jakościowo możliwości badawcze w stosunku do urządzeń standardowych, na których pomiary mają raczej charakter prób teclmologicznych. 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, opartego na hybrydowym silniku skokowym, umożliwia realizację ruchu belki ruchomej : z zadaną prędkością, według określonej funkcji czasu, położenia belki lub wartości siły obciążającej, według cyklogramu zadawanego z trójkanałowego programowalnego sterownika lub komputera nadrzędnego. Podstawowe czujniki pomiarowe układu to: wymienne czujniki tensometryczne siły (rys.2), liniał optyczny do pomiaru przemieszczenia belki ruchomej, czujniki indukcyjnościowe do pomiaru wymiaru charakterystycznego próbek. Analiza oraz określenie powierzchni niszczenia próbek może być zrealizowana w kilku wariantach: w oparciu o wzorzec CCD z odpowiednim układem optycznym, kamerę przemysłową lub skaner. Urządzenia te współpracują z komputerem nadrzędnym. W powyższych
227 przypadkach celowe jest wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania do analizy obrazu. Układ nadzoru pracy zespołów realizuje automatycznie cykl pomiaru według parametrów zapisanych wcześniej w jego pamięci, rejestruje dane pomiarowe oraz zapewrua komunikację z komputerem nadrzędnym. Umożliwia również wstępne przetwarzanie danych pomiarowych według określonych algorytmów, zapisanych w jego pamięci (np. obliczanie wartości średnich, uwzględnianie poprawek itp.) Układ wyposażony jest w zespół wyświetlaczy ułatwiających jego obsługę. Współpraca omówionych wcześniej zespołów z komputerem nadrzędnym klasy IBM PC możliwa jest poprzez inteńejs RS - 232. Komputer wyposażony w specjalne oprogramowanie może w określonych przypadkach wspomagać system sterowania pomiarem oraz przetwarzać i opracowywać graficznie wyniki pomiarów. 160 140 120 Z; 100 fi 80 60 40 20 o / /' Jl"'"~ 1 0 l' 2 l i L...~_ F./ / ~ cl... l-- j '-f -f--- :,F 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Wydłużenie próbki; mm Rys.3. Zmiana siły adhezji żywicy syntetycznej do podłoża kwarcowego w funkcji odkształcenia próbki; 1,2,3- numery próbek.(opis w tekście) Przykładowe wyniki trzech serii pomiarów siły adhezji żywicy syntetycznej do podłoża kwarcowego przedstawiono na rysunku 3. Z uwagi na bardzo małe wartości odkształcenia badanych próbek (typu krzyżowego [5]) do sporządzenia v.'ykresów wykorzystano dane pomiarowe pochodzące z rejestracji czasowych przebiegów siły oraz wyniki obliczeń odkształcenia próbki wynikające z przeprowadzonych wcześniej pomiarów charakterystyki mostka tensantetrycznego oraz układu mocowania próbek.
228 Zamieszczone przebiegi mogą być poddane dalszemu przetwarzaniu - aproksymacji, wygładzaniu itp. Możliwe jest również dokonywanie pomiaru odkształceń bezpośrednio na próbce z wykorzystaniem odpowiednich czujników. W przypadku badania materiałów o dużych odksztalceniach do ich określenia może być wykorzystany sygnał z układu pomiaru przemieszczenia belki ruchomej. 3. Podsumowanie Ogólna koncepcja przedstawionego aparatu opracowana została z myślą o pomiarach sił adhezji i kohezji materiałów wiążących stosow;mych w masach fonnierskich i rdzeniowych [ 11]. Szerokie możliwości pomiarowe wykonanego prototypu 1 > rozszerzają jednak znacznie zakres jego wykorzystania. Modułowa konstrukcja urządzenia stwarza możliwości dalszej rozbudowy systemu oraz różnicowania konfiguracji układu. Obecnie prowadzone są szerokie badania testujące prototyp oraz dalsze prace związane z opracowaniem specjalistycznego oprogramowania.!)prototyp aparatu wykonano w ramach grantu celowego nr 8 8738 94 CI 1875. Spis Literatury [l] Baliński A, Szolc M. : Adhezja organicznych układów wiążących do podłoża kwarcowego. Materiały XX Konferencji (l Międzynaro d owej) Wydziału Odlewnictwa AGH: "Nowoczesne tendencje w odlewnictwie". Wydział Odlewnictwa AGH, PAN. Kraków 1995, s 243-248. [2] Baliński A, Szolc M. : Zmiana adhezji układów spoiwo- utwardzacz pod wpływem zastosowania wybranych modyfikatorów, w aspekcie własności wytrzymałościowych mas fonnierskich i rdzeniowych. Materiały III Konferencji " Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych", PAN, ITM Politechniki Poznańskiej, Kołobrzeg 1996, s. 7-15. [3] Hutera B. : Właściwość kohezyjna spoiwa stosowanego w sypkich masach
229 samoutwardzalnych (SMS). Mat. II Sympozjum nt.: "Materiały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii. Kryteria ekologiczne ich doboru i stosowania." Politechnika Sląska w Katowicach, Instytut Podstaw Ochrony Środowiska PAN O/Zabrze. Katowice 1995, s. 38-44. [4] Hutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości adhezyjnych spoiw do podłoża kwarcowego. Praca naukowo- badawcza AGH nr 1.170.35, Kraków 1993. [5] Hutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Wybrane aspekty metodyki oznaczania właściwości wytrzymałościowych układu kwarc - materiał wiążący - kwarc. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 26, 1996, s. 217-223. (6] Hutera B., Lewandowski L.: Zjawiska na granicy faz: osnowa kwarcowa- żywica syntetyczna. Materiały m Konferencji " Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych", P AN, ITM Politechniki Poznańskiej, Kołobrzeg 1996, s. 99 - l 06. [7] Hutera B.: Strength of the Model of Moulding Core Sand System. Metallurgy and Foundry Engineering, No.4, 1994, pp. 483-492. [8] Hutera B.: The Boundary Cases of Bonds Formarion and Models of their Destruction. Metallurgy and Foundry Engineering, No.3, 1995, pp. 225-232. [9] Hutera B.: Weryfikacja wytrzymałościowa modelu układu : dwie kule kwarcowemieszanina bentonitu z wodą (w stanie wysuszonym). Materiały XIX Sympozjum Naukowego Wydziału Odlewnictwa AGH. Kraków 1993, cz. I, s. 167-175. [lo] Lewandowski L., Hutera B., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości kohezyjnycb spoiw organicznych. Praca naukowo- badawcza AGH nr l. 170.79, Kraków 1994. [11] Lewandowski L., Smyksy K., Hutera B., Drożyńsk.i D.: Opracowanie założeń konstrukcyjnych aparatu do omaczania sił adhezji i kohezji. Praca naukowo- badawcza AGH nr 1.170.140, Kraków 1995.