Ostřiva pískových formovacích směsí

Ostřivo je zrnitý žáruvzdorný souhrn písku, ve kterém jsou částice větší než 0,02 mm. Představuje nosnou část formovacích a jádrových směsí. U ostřiva sledujeme tvar a povrch zrn, neboť na těchto veličinách závisí výsledné vlastnosti formovacích a jádrových směsí. Ostřiva lze dělit podle chemické základní surovinou slévárenských formovacích směsí, protože jeho teplota tavení je až 1700 °C což vyhovuje většině slévárenských slitin. Oxid křemičitý

Oxid křemičitý může existovat v několika krystalických a jedné amorfní jemném rozemletí přeměňuje v α - tridymit. Je-li α - křemen zahříván rychle až nad teploty 1600 °C, je možno jej roztavit, aniž by procházel jinými modifikacemi.

α - tridymit se v přírodě nevyskytuje, má oblast stálosti 870 °C až 1470°C, při chladnutí se přes přechodnou formu β - tridymitu přeměňuje v γ - tridymit. Při 1470 °C se pomalu za přítomnosti mineralizátorů přeměňuje v α - cristobalit. působení vysokých teplot oceli.

Roztavený SiO2 může být ochlazen bez krystalizace ve sklovinu - křemenné sklo. Tato modifikace se vyznačuje mimořádně nízkým součinitelem teplotní roztažnosti a má proto vysokou odolnost proti teplotním změnám.

Polymorfie oxidu křemičitého má složitý charakter, v některých teplotních oblastech může existovat několik modifikací.

Křemenné písky jsou doprovázeny průvodními minerály, které mohou mít škodlivý vliv na jakost odlitku. Jsou to především živec, slída, uhličitany, způsobující spékavost směsi a tím zhoršení kvality povrchu odlitku. Obsah průvodních minerálů u formovacích směsí pro ocelové odlitky nemá překročit

hodnotu 3%. Kromě již jmenovaných jsou písky doprovázeny minerály s vyšší měrnou hmotností, než má SiO2. Jsou to například turmalín, glaukonit, rulit, živce, limonit, magnesit, ilmenit a jiné.

Povrch křemenných písků netříděných a chemicky neupravovaných bývá ve většině případů povlečen hydratovaným křemenem nebo hydroxidem železitým, hlinitým nebo přírodními jíly. Tato vrstva má jen molekulární tloušťku, přesto má dosti značný vliv na přilnavost pojiv jak jílových, tak i organických [1].

Cristobalitická expanze

Při teplotě nad 900 °C až 1000 °C probíhá tak zvaná pozvolná p řeměna α - křemene v α - cristobalit a také dochází i k přeměně krystalické mřížky (hexagonální → krychlovou). Přeměna je za normálních podmínek nevratná a její rychlost závisí na struktuře křemene a na přítomnosti katalyzátorů.

Křemen se při ohřevu mění v α - cristobalit. Je-li křemen čistý, hrubě krystalický a má málo defektní mřížku proces probíhá velmi pomalu. Rovnovážná teplota cristobalitickou přeměnu brzdí.

Na cristobalitickou přeměnu má vliv i velikost zrn křemene. U malých zrn probíhá cristobalitická přeměna velmi rychle. U hrubších zrn (cca 0,27 mm) probíhá přeměna ve dvou fázích. V první fázi vznikají na povrchu zrn zárodky cristobalitu a ve druhé probíhá cristobalitizace do hloubky zrn. U malých zrn se rychlosti obou fází rovnají a cristobalitická přeměna na povrchu a uvnitř zrn probíhá současně. V tabulce 2 - 1 je schéma polymorfních přeměn křemene.

Šipky vodorovné naznačují směr přeměn, které probíhají pomalu a jsou nevratné. Šipky svislé ukazují směr přeměn, které probíhají rychle a jsou vratné [2].

Tab. 2 - 1 Schéma polymorfních přeměn (modifikací) křemene [2]

Důsledky cristobalitické roztažnosti křemenných ostřiv

Při vyšším tepelném namáhání forem, především jader, vyrobených z čistých křemenných ostřiv za přítomnosti mineralizátorů dochází ke značné

cristobalitické expanzi, čímž nemůžeme zaručit rozměrovou a tvarovou stálost přesnosti odlitků.

Zapečeniny u ocelových odlitků obsahují právě podíl cristobalitu a cristobalitická expanze ostřiva zde sehrává velkou roli. Roztahující se jádra trhají vrstvu povrchové ochrany (nátěru, námasku).

Tam, kde dochází k vysoké rychlosti natuhávání kovu na povrch jádra a nedochází k odtavení kůry (cyklické natuhávání), tj. u jader s nižším tepelným

namáháním, projevuje se cristobalitická expanze růstem zbytkového napětí.

Cristobalitickou expanzi křemenného ostřiva lze zmírnit přísadou bauxitu, oxidů Fe, jílů, atd., neboť zvyšují teplotu cristobalitické expanze na teplotu vyšší ,než je teplota formy nebo jádra [2].

Na obrázku 2-3 jsou zobrazeny dilatace některých druhů slévárenských ostřiv.

Obr. 2 - 3 Tepelná dilatace některých druhů slévárenských ostřiv [2]

Ostřiva zásaditého charakteru

Magnesit - je vysloveně zásadité ostřivo. Vyrábí se z horniny zvané Magnesit, která obsahuje vedle čistého minerálu ještě vápenaté, křemičité a železité sloučeniny. Čistý magnesit je uhličitan hořečnatý MgCO3, barvy hnědé až bělošedé. Krystalizuje v soustavě trigonální. Jeho vznik je dán působením roztoků obsahujících kyselý uhličitan hořečnatý na vápence a dolomity.

Surový magnesit musí být pálením nejprve zbaven CO2 a převeden na oxid hořečnatý MgO, krystalizující jako minerál periklas. Tento oxid hořečnatý

má podobnou vlastnost jako vápno - pohlcuje na vzduchu vodu a hydratuje.

Proto se pálí do slinutí, což je umožněno příměsemi železitých oxidů při teplotách nad 1400 °C. Tím se získává slinutý magne sit čokoládově hnědé barvy, který obsahuje více jak 85% MgO, jenž je nositelem žáruvzdornosti.

Je-li ukončeno pálení při 800 - 950 °C vzniká oduhličený - kaustický magnesit. Příměsi v surovině mají po vypálení a slinutí značný vliv na jakost magnesitu. Proto Fe2O3 má být nejvíce 5%, SiO2 a CaO maximálně 6%.

Magnesit je vždy doprovázen vápencem a dolomitem.

Čistý oxid hořečnatý má žáruvzdornost 2800 °C, u magnesitových výrobků dosahuje žáruvzdornost nad 2000 °C. Používá se pro vyzdívání tavících pecí a je velmi odolný proti vlivu zásaditých strusek.

Drcením odpadních cihel a tvarovek získáme zrnitý magnesit, určený pro formovací účely těžkých odlitků z manganových ocelí, které obsahují vysoký podíl MnO, jenž by chemicky reagoval s ostřivem kyselého charakteru. Jemně mletý magnesit je možné použít jako plnivo nátěrů slévárenských forem [1].

Chrommagnesit - je směsí slinutého magnesitu, zvlášť chudého na CaO, a kvalitní chromové rudy. Magnesitové výrobky mají malou odolnost proti změnám teploty. Snížení citlivosti magnesitu lze docílit přísadou chromové rudy.

Chromová ruda obsahuje více než 80% minerálu zvaného chromit (59% Cr2O3

s příměsemi MgO, Al2O3 a FeO). Při pálení chrommagnesitu probíhají velmi složité fyzikálněchemické děje a vznikají četné sloučeniny. Vypálení probíhá při teplotách 1500 až 1600 °C.

Největší odolnost vůči změnám teploty mají hmoty ze směsi 65% slinutého magnesitu a 35% chromitu. Ze směsi tohoto složení se zhotovují výrobky, které jsou určeny pro klenby martinských pecí. Ve formovacích směsích se používá jako velmi kvalitní ostřivo pro speciální legované oceli [1].

Ostřiva neutrálního charakteru

Šamotové ostřivo - je vypálený žáruvzdorný jíl, který obsahuje nejméně 30%

Al2O3. Při použití plavených kaolínů dosahuje obsah Al2O3 až 45%. Další složkou této žáruvzdorné hmoty je SiO2. Všechny ostatní oxidy jsou znečišťujícími příměsemi, jejich množství a složení je závislé na čistotě výchozí

suroviny. Změnám poměru SiO2 k Al2O3 odpovídají změny fázového složení, které v konečném výsledku předurčuje žáruvzdorné vlastnosti této hmoty.

V kombinaci se žáruvzdorným jílem jako pojivem je šamotové ostřivo vhodné pro výrobu forem těžkých ocelových odlitků nebo těžkých odlitků ze šedé litiny. Do formovacích směsí volíme šamot středně žáruvzdorný normální, hutný, drcený na zrno maximálního průměru 3 až 5 mm. Rozdělení zrnitosti se dělí tak, aby součtová křivka obsahovala částice všech velikostí. Šamotové ostřivo neprodělává při ohřevu tekutým kovem polymorfní přeměny, formovací směs není náchylná ke tvorbě zálupů [1].

Ostřiva s vysokým obsahem Al2O3

Se stoupajícím obsahem Al2O3 od eutektického bodu 8% Al2O3 podvojné a jádrových směsí s použitím tohoto ostřiva jsou dobrá tepelná vodivost a velmi snadná regenerace. Jako kovová ostřiva se používají litinové nebo ocelové broky, které se také používají do slévárenských tryskačů

Nevýhodou těchto ostřiv je velká smáčivost taveninou, a proto se musí na líc forem nanášet nátěr [2].

Grafitové ostřivo - má vyšší tepelnou vodivost a dále má velkou korozní a chemickou stálost. Ve srovnání s kovovými ostřivy mají grafitová ostřiva menší smáčivost taveninou, jsou vysoce žáruvzdorná a stabilizovaná. Vyrábí se mletím grafitových kelímků. Grafitové formy se vyznačují vysokou tepelnou vodivostí a používají se jako polotrvalé formy na odlévání slitin s vysokými teplotami tavení [2].

2.2.1.1 Tvar a povrch zrna

Většina slévárenských písků, resp. ostřiv, byla po svém vzniku z horniny křemene přenášena činností vody, vzduchu nebo ledu na velké vzdálenosti. Při těchto pochodech byl povrch zrn různě upravován, zrna byla tříděna, obrušována nebo drcena. Tak vznikly písky usazené v moři, písky ledovcové nebo písky váté. Tvar těchto zrn písků a jejich povrch bývá v přímé souvislosti s původem vzniku. Zrna, která byla přenášena vzduchem, mají tvar zakulacený izometrický, kdežto písky mořské a ledovcové jsou většinou ostrohranné až tříšťnaté.

Charakter tvaru a povrchu zrn má vliv na technologické vlastnosti formovacích směsí. Ostřiva kulatá jsou lépe zachovatelná, směs má větší tekutost, ale snáze se přepěchuje a může být náchylná ke vzniku vad, způsobených tepelnou dilatací formy (zálupy). Proto je vhodnější pro syntetické bentonitové směsi, náchylné k těmto vadám, používat písky poloostrohranné se sníženou spěchovatelností.

U jádrových směsí je tomu naopak. Kulatá ostřiva s hladkým povrchem se lépe povlékají vrstvou olejového nebo pryskyřičného pojiva, ve zpěchované směsi je více kontaktů mezi zrny a směs dosahuje vyšších pevností po vysušení než tatáž směs s ostřivem ostrohranným. Volbou zrn kulatého tvaru snížíme spotřebu jádrovým pojiv o 0,5 až 1% [1].

Poznámka: Koule má ze všech těles největší povrch při nejmenším objemu, proto nejvýhodnější tvar zrna pro obalení pojivem se musí blížit kouli.

Tvar zrna: izometrický, protažený krátce nebo dlouze.

Hrany zrna: kulatá zrna, hranatá zrna, se zakulacenými hranami, ostrohranná a tříšťnatá zrna.

Povrch zrna: hladký, polodrsný, drsný.

Celistvost zrna: rozpukání silné nebo slabé, obsah dutin (libel).

K přesnému vizuálnímu vyhodnocení tvaru zrn se používají binokulární stereomikroskopy.

Povrch částic ostřiva má zásadní vliv na pevnostní vlastnosti formovacích směsí. Povrch ostřiva je nepřímo úměrný průměru částic a se zmenšováním průměrné zrnitosti ostřiva se jeho povrchovost prudce zvyšuje.

Pro dosažení rovnoměrné tloušťky pojiva je pak nutné jeho celkový obsah zvýšit úměrně k celkovému povrchu částic [1].