Swerea SWECAST AB Status
Öppen
Projekt nr Projekt namn
1222 COMPIS - Lättviktsflaskor i kompositmaterial
Författare Rapport nr Datum
Ulf Gotthardsson 2016-001_ 2016-08-30
Adress/Address Telefon/Telephone Telefax/Fax E-post/E-mail
Rapport från gjutförsök i kompositflaska
Denna raport redovisar ett försök där en produkt av gråjärn göts i en furanform, formad i en liten lättviktsflaska tillverkad av komposit. I försöket ingick momen-ten formning, gjutning, avsvalning och godsurslagning. Syftet var att utvärdera hur denna lättviktsflaska i komposit kan fungera i en verklig gjutprocess.
Inga problem uppstod vid formningen i lättviktsflaskan. Vid gjutningen började flaskan brinna med öppen gul låga, varvid en stark och skarp lukt av bränd plast kändes. Elden släcktes enkelt med sand. Vid urslagningen av godset återkom den skarpa lukten från formen.
Lättviktsflaskan kontrollerades efter försöket. Den var fläckvis bränd och på något ställe hade fibermaterialet frilagts efter att polymermatrisen förbränts. Det ansågs inte vara möjligt att återanvända flaskan för tillverkning av en ny form.
Denna typ av lättviktsflaska bedömdes vara olämplig att använda i gjutprocessen.
Summary
This report presents a trial where a grey iron product was cast in a furan sand mould, made in a small composite light weight flask. The trial contained moulding, casting, cooling and separating the product from the sand. The aim was to evaluate how this light weight composite flask can perform in a real foundry process.
No problems arised during moulding. At casting, the flask started burning with an open yellow flame and a strong sharp smell of burned plastics. That fire was easily extinguished by sand. The strong smell returned when the mould was opened.
The light weight flask was examined after the trial. It was partly burned, and the fiber material was uncovered at one spot where the polymer matrix had been incinerated. It was regarded impossible to reuse the flask for making another mould.
This type of light weight flask was considered unsuitable to use in the foundry process.
1 Syfte och mål
Detta försök omfattar formning, gjutning, avsvalning och urslagning av ett litet järngjutgods i en lättviktsformflaska av komposit.
Formflaskor för gjutning utsätts för hårda prövningar i form av höga temperaturer (ibland i direktkontakt med smält metall), fysisk påverkan och – i viss mån – kemiskt påverkande ämnen. De tillverkas normalt i stål, något som i vissa fall gör dem ”onödigt” tunga och svårhanterade. I och med att allt fler processer och produkter utvecklas mot att bli lättare, har tanken fötts att det kanske går att byta ut det tunga stålet i formflaskor mot lätta kompositer.
Syftet med detta försök var att utvärdera hur en sådan lättare gjutflaska, tillverkad i komposit, fungerar genom gjutprocessen.
2 Genomförande
2.1 Formning
Två flaskhalvor, tillverkade i kompositmaterial, användes vid formningen.
Bild 1. Flaskhalva tillverkad i komposit (t v) och i stål (t h).
Innermåtten på kompositflaskan var desamma som för stålflaskan. För att båda flaskornas stabilitet skulle vara jämförbar, tillverkades kompositflaskan med väg-gar som var något tjockare än stålflaskans. Trots detta var kompositflaskans vikt markant lägre än stålflaskans.
Den kompositflaska som användes vid försöket skilde sig utseendemässigt på en punkt: den saknade styrningar, något som framgår av bild 1. För försöket spelade detta liten roll, förutom att det blev något mer komplicerat att få formflaskorna att hamna på önskvärt sätt gentemot varandra. I en verklig gjutprocess krävs dock att flaskhalvorna snabbt och enkelt kan placeras på önskat sätt, och då måste flaskorna ha tillverkats med styrningar i någon form.
2.1.1 Material och tillverkning
Formningen utfördes med standardmässiga metoder, utrustningar och insatsvaror. För formen valdes furansand, en av gjuteriindustrins mest använda formsandtyper.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2016-001_
• Sand: kvarts-fältspatsand med medelkornstorlek ca 0,25 mm
• Harts: Furfurylalkohol (”furan”) med innehåll av fenol-formaldehyd • Katalysator: Paratoluensulfonsyra (PTS)
Det är lämpligt att påpeka att formar som tillverkas i detta bindemedelssystem får lågt pH-värde. Det finns också alternativ till detta bindemedelssystem, som istället ger formar med högt pH-värde. Materialet i formflaskan bör normalt kunna motstå påverkan från såväl låga som höga pH-värden.
Modellerna placerades i formflaskorna enligt bild 2.
Bild 2. Modellernas placering i formflaskan.
Formflaskorna fylldes och kompakterades manuellt från skruvblandaren, bild 3. De härdades på normalt sätt genom att formen fick vila i rumstemperatur i 4 tim.
Bild 3. Från skruvblandaren (röd) fylls den färdigblandade formsanden (som innehåller bindemedel och härdare) i formflaskan.
Efter modelldragningen konstaterades att formhåligheten och ingjutsystemet på ett par ställen hamnat kritiskt nära formflaskans vägg, vilket möjligen skulle kunna leda till överhettning av formflaskan. Med en traditionell formflaska innebär det inte några problem, men här justerades avståndet genom kompletterande fyllnad av formsand. Att justera avståndet så här går naturligtvis inte att göra när man ska tillverka gjutgods ”på riktigt”. För att undvika att smälta skulle tränga ut mellan formhalvorna lades en limsträng på formsanden längs formflaskan.
Inför gjutningen placerades åtta termoelement i formens insida och två termoelement på formflaskans utsida. Placeringen av dessa framgår av bild 4; principen var att placera elementen i varje hörn, på mitten av varje kortsida och på de platser på utsidan där den största termiska påverkan förväntades (alltså där avståndet mellan smälta och formflaska var som kortast).
Bild 4. Placering av termoelement. Nr 1 - 8 på insidan (i varje hörn och på mitten av varje sida), nr 9 – 10 mot formens utsida.
2.2 Gjutning
2.2.1 Material och tillverkning
Gråjärn användes för gjutningen. Den utfördes manuellt med en liten (3 liter) handskänk.
Smältan tömdes i skänken vid 1490°C, men svalnade innan gjutning och höll erfarenhetsmässigt cirka 1400°C vid pågjutningen.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2016-001_
Bild 5. Den färdiga gjutformen, med monterade termoelement.
Bild 6. Gjutning i kompositflaskan.
2.3 Avsvalning och urslagning
Den pågjutna formen placerades under ventilationsutsug för att svalna. 4,5 timmar efter gjutningen slogs det färdiga godset ut ur formen. Detta gjordes på ett – för formflaskan – skonsamt sätt, genom att en slägga bankades på sanden i gjutformen (men inte på själva formflaskan).
Efter urslagningen rensades formflaskorna från lös sand och sändes till Swerea SICOMP för granskning och analys.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2016-001_
3 Resultat och diskussion
3.1 Formning
Formningen genomfördes precis som den skulle ha gjorts om formflaskor i stål skulle använts. Inga avvikelser noterades.
Observera att formarna tillverkades med handformning, vilket är en mycket skonsam metod. Hur motsvarande formflaska skulle klara de större påfrestning-arna vid maskinformning, vet vi inte.
3.2 Gjutning och avsvalning
Temperaturkurvorna från termoelementen ses i bild 8. Den högsta temperatur som uppmättes mot flaskans innervägg var 450°C.
Bild 8. Temperaturkurvor från termoelementen (för deras placering, se bild 4). Vid pågjutningen spilldes lite järnsmälta på formytan mot formflaskan. Ett begränsat område på flaskan antändes omedelbart, området brann med gul låga och stark lukt, men branden släcktes snart med hjälp av sand.
En (1) minut efter pågjutningen slog lågor upp ur mellanrummet mellan formflaskorna och från formens undersida. Detta ledde till att ytterväggarna i formflaskan antände. Det är oklart om någon antändning av formflaskans vägg uppstod genom enbart överhettning genom formflaskan; det verkar som hettan i sig inte var tillräcklig för att lågan skulle uppstå. Förmodligen krävdes alltså att lågor från förbränningen av gaser träffade formflaskans yta för att flaskan skulle antändas.
Strax därefter hälldes sand över formen och elden släcktes.
3.3 Urslagning
Urslagningen genomfördes utan några skillnader gentemot hur det skulle utförts med traditionella stålflaskor. I samband med urslagningen kändes åter den skarpa lukt av bränd plast som kändes i samband med gjutningen.
Urslagningen kunde alternativt ha utförts på gjuteriets skakbord, något som skulle ha medfört en betydligt större fysisk påverkan på flaskan. Detta hade i så fall inneburit en stor risk för att flaskan spruckit eller skavts sönder.
Den använda formflaskan bedömdes inte vara möjlig att använda igen pga fläckvisa brännmärken och områden där fibermaterialet frilagts efter att polymer-matrisen förbränts.
Bild 9. Halv formflaska efter en gjutning.
4 Slutsats
Resultaten från försöket visar att den här typen av formflaska förstörs under gjutprocessen och därför är olämplig att använda. Försöket har dessutom utförts under klart skonsammare betingelser än vad som skulle varit fallet om gjutningen utförts i ett ”verkligt” gjuteri.
Formflaskan klarade formningsmomentet utan problem. Vid gjutningen började flaskan brinna. I samband med branden uppstod en skarp, stark och obehaglig lukt av bränd plast. Efter urslagning visade flaskan tydliga spår av förslitning och förbränning.
Det bedömdes vara omöjligt att använda samma flaska för ytterligare en form.
5 Fortsatt arbete
Om ytterligare gjutförsök skall utföras i kompositflaskor, behövs ett komposit-material som inte antänds av smältan och som har högre värmebeständighet än det som nu använts. Det är också viktigt att det tål ovarsam hantering.
