TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ
Katedra strojírenské technologie
Studijní program M 2301 Strojní inženýrství Studijní obor 2303T002 Strojírenská technologie
Zaměření - Strojírenská metalurgie
SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI VYBRANÝCH JÁDROVÝCH A FORMOVACÍCH SMĚSÍ
MONITORING OF GASSINES OF THE SELECTED CORE AND MOLDING MIXTURES
Michal Komenda KSP – SM - 544
Vedoucí diplomové práce : prof. Ing. Iva Nová, CSc.
Konzultant diplomové práce: Ing. Jiří Machuta
Rozsah práce a příloh:
Počet stran : 64 Počet tabulek: 9 Počet obrázků: 21
Počet příloh: 1 5.6. 2009
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
___________________________________________________________________________
__________
Katedra strojírenské technologie Studijní rok:2008/2009
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Jméno a příjmení Michal K O M E N D A
Studijní program M 2301 Strojní inženýrství
Obor 2303T002 Strojírenská technologie
Zaměření Strojírenská metalurgie
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma:
Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí
Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle diplomové práce a doporučené metody pro vypracování)
1. Prostudujte dostupné podklady o plynatosti a měření plynatosti jádrových a formovacích směsí;
2. Seznamte se zařízením pro měření plynatosti vzorků jádrových a formovacích směsí, které je k dispozici na našem pracovišti;
3. Proveďte experimentální měření plynatosti vybraných vzorků směsí na výše uvedeném zařízení.
4. Zhodnoťte dosažené výsledky a formulujte dílčí závěry.
Forma zpracování diplomové práce:
- průvodní zpráva cca 50 stran - grafické práce
Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):
[1] VETIŠKA, A.: teoretické základy slévárenské technologie. 2. upravené vydání, Praha 1974.
[2] JELÍNEK, P.: Disperzní soustavy slévárenských formovacích směsí – ostřiva, 1. vyd. Ostrava 2000.
[3] RUSÍN, K.: Disperzní formovací materiály. [Skripta]. VUT Brno 1981.
[4] Časopisy: Slévárenství, Hutnické listy, Giesserei, Modern Casting, atd.
[5] Články z elektronické verze časopisů - virtuální čítárna knihovny TU Liberec nebo články z časopisů presentované mezinárodní elektronickou sítí.
Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Iva Nová, CSc.
Konzultant diplomové práce: Ing. Jiří Machuta
L.S
prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld prof. Ing. Petr Louda, CSc.
vedoucí katedry děkan
V Liberci dne 15. 2. 2009
___________________________________________________________________________
__________
Platnost zadání diplomové práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ). Termíny odevzdání diplomové práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
ANOTACE
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie
Studijní program: M2301 Strojní inženýrství Diplomant Michal KOMENDA
Téma práce: Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí Monitoring of gassines of the selected core and molding mixtures
Číslo DP: KSP – SM - 544
Vedoucí DP: Prof. Ing. Iva Nová, CSc. – TU v Liberci Konzultant DP: Ing. Jiří Machuta, - TU v Liberci
Abstrakt:
Tato diplomová práce se zabývá sledováním a měřením plynatosti jádrových a formovacích směsí. Práce se skládá ze dvou základních částí (teoretická a experimentální). V teoretické části je popsána základní charakteristika slévárenských směsí, vliv plynatosti formovací a jádrové směsi na vznik vad odlitků a také je popsán mechanismus vzniku a vývinu plynů ze směsi. Součástí této kapitoly jsou informativní výpočty vzniklého množství plynů chemických reakcí, které jsou hlavní příčinou plynatosti slévárenských směsí. Experimentální část je zaměřena na kalibraci nově zkonstruovaného měřícího zařízení plynatosti a na měřené plynatosti vybraných vzorků jádrových směsí.
Abstract:
This diploma thesis deals with follow up and measure of gassines core and molding mixtures. The diploma thesis has two basic parts. In theoretical part is described the basic charakteristic of the casting mixtures, the influence of the gassiness sand and core mixtures on beginning casting defects. There is described of mechanism by the beginnig and evolution of gases from mixtures. The informational computings of the rising by the gas quantity in the chemical change are part of this thesis. These gases are main reason of the gassiness the casting mixtures. The experimental part is directed towards on the calibration of the measuring apparatus.
This measuring apparatus was newly engineered and makes it possible to measure the gassiness of the core mixtures.
Místopřísežné prohlášení:
Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci, 5. června 2009
……….
Michal KOMENDA Husova 2513 44001 Louny
Poděkování
Děkuji své vedoucí diplomové práce paní prof. Ing. Ivě Nové, CSc. a konzultantovi Ing. Jirkovi Machutovi za cenné a důležité rady, věnovaný čas a za cenné připomínky, které přispěly k jejímu vytvoření. Poděkování patří také všem dalším, kteří větším či v menším měřítku přispěli k úspěšnému dokončení této diplomové práce.
OBSAH
OBSAH
…...6SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ
………...71. ÚVOD
………...82. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE
………..102.1 CHARAKTERISTIKA SLÉVÁRENSKÉ FORMY, FORMOVACÍ A JÁDROVÉ SMĚSI………10
2.1.1 CHARAKTERISTIKA OSTŘIV………11
2.1.2 CHARAKTERISTIKA POJIV FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMĚSÍ…………...14
2.1.3 PŘÍSADY FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMSÍ A VODA………...25
2.2 CHARAKTERISTIKA SÁDRY SÁDROVÝCH FORMOVACÍCH SMĚSÍ………...24
2.3 PLYNOVÝ REŽIM SLÉVÁRENSKÉ FORMY………...30
2.3.1 PLYNOTVORNOST FORMOVACÍCH SMĚSÍ………...31
2.3.2. ZDROJE PLYNŮ A PAR PŘI OHŘEVU SLÉVÁRENSKÉ FORMY………...32
2.3.3 PLYNOTVORNOST REÁLNÉ FORMY………...……35
2.3.4 POPIS VZNIKU A PRONIKÁNÍ PLYNU Z FORMY DO TAVENINY………...37
2.4 METODY SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI………...39
2.4.1 METODY PŔÍMÉ – PROVOZNÍ………...40
2.4.2 METODY NEPŘÍMÉ – LABORATORNÍ………...…..41
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
………...433.1 CHARAKTERISTIKA MĚŘÍCÍHO ZAŘÍZENÍ………..……...43
3.1.1 KALIBRACE ZAŘÍZENÍ………..…….45
3.2 POPIS METODY PŘÍPRAVY VZORKŮ PRO SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI..…...47
3.3 PRŮBĚH SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI VYBRANÝCH DRUHU SÁDRY…..……….48
3.4 VYHODNOCENÍ ZÁZNAMU PLYNATOSTI………..………...49
4. DISKUZE VÝSLEDKŮ
………...…………575. ZÁVĚR
………...606. LITERATURA
………...………….61SEZNAM OBRÁZKŮ………...…………....62
SEZNAM TABULEK………...……….63
SEZNAM PŘÍLOH………..………...64
SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ
α součinitel stlačitelnosti formovací směsi [-]
H výška směsi v rámu před zhuštěním [m]
h výška směsi v rámu po zhuštění [m]
pz měrný tlak na lisovací desce [Pa]
k hodnota součinitele tření směsi o formovací rám [-]
ξ poměr svislého a radiálního tlaku [-]
a strana formovacího rámu [m]
ρ hustota směsi před zhuštěním [kg/m3] ρ hustota směsi po zhuštěním [kg/m3] Vpl množství uvolněných plynů formou [m3] Vf objem formy [m3] Sf povrch styku formy s kovem [m2] mf součinitel prohřátí formy [m/s1/2] pf tlak plynů ve formě [Pa]
pm metalostatický tlak [Pa]
pp odpor kovu proti vniknutí plynové bubliny do taveniny [Pa]
ppf přetlak plynů nad hladinou roztaveného kovu [Pa]
Vm molový objem plynu [m3/kmol]
MCaCO3 molární hmotnost CaCO3 [kg/kmol]
∆V změna objemu uvolněných plynů [m3] V0 objem měřící soustavy [m3]
∆p změna tlaku uvolněných plynů ze směsi [Pa]
pA atmosférický tlak [Pa]
t doba ohřevu [s]
1. ÚVOD
Slévání patří mezi nejstarší výrobní postupy, které lidé ovládali již před mnoha tisíciletími. Ještě před začátkem našeho letopočtu dokázaly vyspělé civilizace odlévat jak mnohatunové sochy, tak i drobné složitě tvarované dekorativní předměty.
Z původního, především uměleckého řemesla, se slévání přeměnilo v průmyslové odvětví především v 19. století.
Nad výrobou kuchyňských potřeb, součástí kamen, ozdobných předmětů, zvonů apod. převládla výroba vodovodních trub, stavebních prvků a dílů výrobních strojů.
Ve 20. století se pak stala největším odběratelem odlitků dopravní technika a energetika.
Bez odlitků si dnes nelze představit žádný složitější strojírenský výrobek.
V průměru se na jejich hmotnosti podílejí zhruba 30 %. Např. v konstrukci osobního automobilu bývá užito více než sta odlitků. Při tom se jedná o díly tvarově nejsložitější a někdy i značně namáhané ( blok motoru, hlava válců, těleso karburátoru, písty a pístní kroužky atd.). Odlitky převládají v konstrukci armatur, spalovacích motorů, kompresorů, obráběcích i tvářecích strojů. Odlitky ale najdeme i ve výrobcích elektrotechnického a optického průmyslu, letadlech, lodí, kosmických a jaderných zařízeních.
Současná světová slévárenská produkce se pohybuje v rozmezí 70 – 80 mil. tun za rok především v závislosti na vzestupu či poklesu výroby automobilů. České slévárenství má bohaté tradice a vždy se řadilo ke světové špičce, i když v posledních desetiletích technicky zaostávalo. Na přelomu 70. a 80. let přesahovala produkce československých sléváren 100 kg odlitků na obyvatele za rok, čímž se dostala na čelní pozice ve světě. V současné době se naše slévárenství zaměřuje především na přizpůsobování jakosti odlitků požadavkům náročných zahraničních trhů. Závažným úkolem je snižování dopadu slévárenské výroby na životní prostředí a zlepšování hygieny práce ve slévárenských provozech.
K hlavním výhodám odlévání patří především:
- možnost zhotovit díly od hmotnosti několika gramů až do desítek tun, - možnosti dosažení poměrně jednoduchými postupy velmi složitých tvarů, - hospodárnost v kusové i malosériové výrobě,
- možnost odlévání většiny kovů a slitin.
S výrobou kvalitních výrobků také souvisí typ slévárenské formy, způsob přípravy taveniny a metoda odlévání. Na kvalitu výroby odlitků jsou citlivé pískové formy, které během odlévání mohou z nejrůznějších důvodů uvolňovat plyny. Tyto plyny mohou negativně ovlivnit kvalitu odlitků.
Výzkumem plynatosti formovacích a jádrových směsí se dlouhá léta zabývá pracoviště – Katedra strojírenské technologie TU v Liberci, která v současné době provádí výzkum těchto směsí v rámci výzkumného záměru MSM 467478850. Také v tomto smyslu je záměr mé diplomové práce, která je zaměřena na téma „Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí“.
2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE
2.1 Charakteristika slévárenské formy, formovací a jádrové směsi
Slévárenská forma je „pracovní předmět“ vyrobený ze žáruvzdorného materiálu.
Uvnitř je dutina, která svým tvarem odpovídá opaku budoucího odlitku zvětšeného o míru smrštění. Odlitím taveniny kovu, resp. slitiny kovů do dutiny a jejím ztuhnutím získáme odlitek.
Slévárenská forma může být kovová, písková, keramická, sádrová, atd. Formy lze rozdělit podle různých kritérií, např. podle doby použití lze formy rozdělit na:
1. Netrvalé – jsou vyrobeny z formovací směsi a slouží pro jedno odlití (jednorázové).
Jedním odlitím lze však ve formě zhotovit více odlitků. Po ztuhnutí odlitků se odlitek vytluče a forma se zničí. Do netrvalých forem se nejčastěji odlévají litiny, popř.
některé slitiny hliníku nebo mědi. Netrvalé formy pomaleji akumulují teplo z odlitků a odlitky v nich tuhnou poměrně dlouhou dobu.
2. Polotrvalé – jsou to formy vyrobené z různých žáruvzdorných keramických materiálů a lze je použít pro více odlévání (cca 50 odlití). Po každém odlití vyžadují případnou opravu a přesušení nebo vyžíhání. Odlitky určené pro polotrvalé formy musí mít značné úkosy a musí být jednoduchých tvarů bez výstupků, aby se nepoškodily smršťováním a vyjímáním odlitků.
3. Trvalé – jsou vyrobeny z kovů nebo jejich slitin, označují se jako kovové formy.
Při gravitačním lití se tyto formy označují jako kokily. Jsou určeny pro velké množství odlití, např. při tlakovém lití slitin hliníku lze provést v kovových formách až statisíce odlití; závisí na složitosti a velikosti odlitku. Tyto formy jsou určeny pro velkosériovou výrobu odlitků.
Formovací směsi se skládají alespoň ze dvou základních složek ostřiva a pojiva.
Dále směs může obsahovat vodu, u jílových a anorganických pojiv (sádra, vodní sklo). U jílových pojiv voda slouží jako plastifikátor a dává směsi vhodné vlastnosti pro její formování (formovatelnost, tekutost, atd.). Nezbytné jsou ve formovací směsi přísady. Přísady jsou látky které zlepšují některé vlastnosti směsi při styku s roztaveným kovem nebo po ztuhnuti odlitku. Jako např. odolnost proti zapečeninám, kdy do formovací směsi přidáváme kamenouhelnou moučku – letek,
který po odlití formy hoří, vytváří plyny, které působí proti nadměrné penetraci taveniny mezi zrna formy. Nebo se přidávají dřevěné piliny, které po vyhoření zvyšují prodyšnost formy, popř. se přidávají látky zvyšující rozpadavost formy.
2.1.1 Charakteristika ostřiv
[3], [4]Ostřivo je nosnou částí formovací nebo jádrové směsi a je nositelem její
žáruvzdornosti. Ostřivo jsou částice větší než 0,02 mm. Jeho vlastnosti mohou být velmi rozdílné. Většinou je materiálem křemen. Kromě křemene se v něm mohou objevit i zrna živcová, slídová apod. u syntetických formovacích směsí mohou být ostřivem zrna korundová, drcený šamot, magnezit apod.
Pro slévárenské účely důležitými vlastnostmi jsou žáruvzdornost, žárupevnost, chemická podstata, velikost a tvar zrna. Velikost zrn ostřiva je hodnocena síťovým rozborem resp. součtovou křivkou zrnitosti.
Ostřivo kyselého charakteru
Mezi ostřiva kyselého charakteru se řadí především ostřivo na bázi křemene.
Chemicky je křemen kysličník křemičitý SiO2. Je hlavním materiálem ostřiva přirozených i většiny syntetických směsí. Je to proto, že se vyskytuje v přírodě v dostatečným množství na různých místech, má většinou i vhodnou zrnitost, je dostatečně žáruvzdorný. Kromě těchto velmi výhodných vlastností má také některé nevýhody. Především křemen prodělává při zahřívání krystalické přeměny, které jsou spojeny se značnými a prudkými změnami rozměrovými. Tyto rozměrové změny křemenných zrn vedou ke vzniku pnutí uvnitř formy (vznik zálupů). Další jeho nevýhodou je, že vdechování křemičitého prachu po delší dobu může vést ke vzniku nebezpečného onemocnění plic – tzv. silikózy. V některých případech je nevýhodou kyselý charakter křemene. Vzniká-li na povrchu odlévaného odlitku zásaditý kysličník (např. při odlévání oceli s velkým obsahem Mn), reaguje tento zásaditý kysličník s kyselým formovacím materiálem a vzniknou snadno tavitelné křemičitany – povrch odlitků je zapečený.
Hustota křemenných zrn je asi 2650 [kg/m3]. Čistý křemen je bezbarvý, čirý.
Tavící teplota křemene je vyšší než 1700°C. Křemen je mimořádně odolný proti chemickým vlivům.
Oxid křemičitý existuje v mnoha modifikacích. Přeměny jedné modifikace v druhou jsou spojeny se změnou objemu. Rozezníváme přeměny dvojího druhu:
rychlé, které proběhnou za několika vteřin a jsou vratné, a přeměny pomalé, při kterých nastávají podstatné změny v krystalické mřížce a které jsou v normálních případech nevratné. Křemen se vyskytuje v těchto modifikacích: křemen α,β;
tridymit α,β,γ; cristobalit α,β a křemenné sklo.
Z hlediska formovacích směsí mají největší význam modifikace křemene α a β.
Většinou obsahuje písek kromě křemenných zrn také zrna dalších, tzv.
průvodních materiálů, které způsobují zmenšení žáruvzdornosti formovací směsi.
Tato okolnost však bývá důležitá jen u formovací směsi pro ocelové odlitky. U formovacích písků pro odlitky ze šedé litiny nebo neželezných kovů nemusí mít škodlivý vliv.
Nevýhody křemenného ostřiva jsou:
1. Zvýšená reaktivnost za zvýšených teplot s oxidy železa a jiných kovů;
2. Neplynulá tepelná dilatace – souvisí s malou rozměrovou přesností odlitků a vznikem slévárenských vad (zálupy, výronky);
3. Cristobalitická expanze probíhá za přítomnosti mineralizatorů a vysokých teplot nad 900 °C.
4. Silikóza – nemoc plic z nasycení křemenného prachu.
Ostřivo zásaditého charakteru
Magnezit – (MgO) jako ostřiva se magnezitu, vzniklého drcením úlomků magnezitových cihel. Výhodou magnezitu je jeho zásaditý charakter a velká žáruvzdornost (2800°C). Používá se ho proto tam, kde přichází do styku se zásaditými kysličníky. Velmi výhodné je jeho použití jako ostřiva pro odlitky z 12%- ní manganové oceli. Stykem tekutého kovu se vzduchem vzniká na povrchu dolitku vrstva kysličníku manganatého. Kdyby tento zásaditý MnO se dostal do styku s kyselým SiO2, vznikl by křemičitan manganatý, jehož teplota je podstatně nižší a odlitek by byl zapečený.
Chrommagnezit – 40 % MgO do 35 % Cr2O3; snáší teploty nad 2000 °C.
Magnezitchrom – 60 % MgO do 20 % Cr2O3. Tyto ostřiva mají vysokou hodnotu tepelné vodivosti, vyšší hustotu a nízký součinitel lineární roztažnosti, který dává předpoklady k odolnosti vůči náhlým změnám teplot.
Ostřivo neutrálního charakteru
Šamot – (Al2O3·SiO3) se vyrábí pálením žáruvzdorných jílů. Jako ostřiva se používá tzv. šamotový mas. Jsou velmi žáruvzdorné i prodyšné a netvoří zálupy.
Šamot je však mnohem dražší než písky a musí se sušit přímo při mnohem vyšší teplotě. Proto používáme všude, kde je to možné, syntetické směsi s křemennými písky. Dosud se používá šamotových mas pro těžké a nejtěžší odlitky z oceli.
Poměrem SiO2/Al2O3 je dána žáruvzdornost i chemický charakter šamotu. Čím větší je obsah Al2O3 v šamotu, tím větší je jeho žáruvzdornost. Je-li poměr
3 2 2 /Al O
SiO větší než 4, je šamot kyselý, je-li 2 až 4 je šamot normální a je-li poměr menší než 2, nazývá se šamot hlinitý. Jako ostřiva se používá normálních šamotů, málo pórovitých, drcených na zrna o velikosti 0,2 až 3 mm, nepravidelné zrnitosti.
Korund – (Al2O3) zvyšováním obsahu Al2O3 v šamotu se zvětšuje jeho žáruvzdornost. Korund je vlastně čistý Al2O3. Jeho tavící teplota je 2000°C a je velmi odolný proti chemickým vlivům. Pro technické účely se vyrábí tzv.
elektrokorund. Jeho použití jako ostřiva v běžných případech by však bylo hospodářsky zcela neúnosné. Používá se ho proto jen ve zcela speciálních případech a častěji jen jako základní složky barviv pro nejtěžší ocelové odlitky.
Chromit – (FeO·Cr2O3) je vlastně kysličník chromitý a svými vlastnostmi se podobá magnezitu. Má neutrální charakter. Model se obloží vrstvou chromitové směsi tlustou jen několik cm (dle tloušťky stěn odlitku).
Olovín - v severských státech, kde jsou bohatá naleziště těchto minerálů, používá se ho místo křemenného písku. Olovín má velkou žáruvzdornost i stálost při změnách teplot.
Ostřiva speciální
Grafitová –jako ostřiva se používá drcených střepů žáruvzdorných grafitových kelímků nebo elektrod. Grafitové ostřivo je významnou složkou ostřiva polotrvalých šamotových forem. Formy při lití je nutné chránit před stykem se vzduchem nad teplotou oxidačního bodu, což je 451°C. Jinak by docházelo k vyhořívání grafitu.
Odlitky z těchto ostřiv jsou velmi přesné a mají hladký povrch.
Kovová ostřiva – jsou to kovové třísky nebo broky. Vhodnou úpravou a ve směsi s vhodným pojivem tvoří tzv. polokovové směsi. Tyto směsi mají velkou tepelnou difúzi a používá se jich nejčastěji jako vnějších tvarovaných „polochladítek“ pro chlazení odlitků.
2.1.2 Charakteristika pojiv formovacích a jádrových směsí
[4]Vedle ostřiva je ve formovací směsi další důležitou složkou pojivo. Spojením pojiva s ostřivem vzniká do jisté míry kompaktní hmota, kterou lze formovat a tvarovat. Tato hmota se po formování (tvarování) vyznačuje určitou pevností v tlaku, která se za syrova (bez vysušení) nazývá vaznost. Dále po vysušení nebo různých podmínkách přípravy formy je pevnost např. pevnost po vysušení a vytvrzení, pevnost za vysokých teplot i zbytková pevnost směsí (rozpadavost po odlití).
Dlouholetý vývoj formovacích směsí lze rozdělit do čtyř generací, jak je schématicky uvedeno na obr. 2-1.
Obr. 2-1. Stručný přehled vývoje pojiv formovacích směsí [4]
Pojiva I. generace : ostřivo + jílové pojivo – mechanický způsob pojení (pěchování, střásání, lisování, atd.).
Pojiva II. generace : ostřivo + pojivem je chemická látka – chemický způsob pojení (v důsledku chemické reakce).
Pojiva III. generace : běžné ostřivo + voda nebo ostřivo kovové z magnetického materiálu – bez pojiva nebo pouze ostřivo – pevnost forem se získává v důsledku fyzikálních sil.
Pojiva IV. generace : ostřivo + pojivo, které by mělo být na bázi živých organismů – pevnost formy na základě biologického účinku.
Pojiva I. generace – pojiva této generace jsou jílová, kde pojení je výsledkem sil kapilárního tlaku a sil Van der Walsových. Mezi částicí ostřiva a pojivem působí síly adhezní (přilnavé), mezi částicemi pojiva kohezní. Jílová pojiva jsou nejčastěji součástí přírodních směsí.
Jíly dělíme :
Kaolinitický jíl – Al2 O3.2SiO3.2H2O (kaolinit). Pojivo se šamotovým lupkem tvoří formovací směs určenou pro výrobu forem a jader pro odlévání ocelových odlitků. Je to směs na sušení, která se suší při teplotě 650°C. Má ze všech jílů vynikající žáruvzdornost, ale nejmenší bobtnatost.
Illitický jíl – doprovází přírodní písky. Nejdůležitějším minerálem této skupiny je glaukonit (zelené barvy). Jíl se používá pro odlévání těžkých litinových odlitků, neboť má dobrou žáruvzdornost i dobrou bobtnavost.
Montmorillonitický jíl – Al2O3.4SiO3.2H2O.nH2O. Má-li jílové pojivo více jak 75 až 80 % montmorillonitu, pak se tyto jíly nazývají bentonity. Bentonity se řadí mezi nejrozšířenější jílová pojiva a slouží k výrobě bentonitových směsí. Mají výbornou pojivovou vlastnost (2,5 krát vyšší než u kaolinitů) a umožňují přípravu směsi s minimálním obsahem pojiva (6 až 8 %) a tím i s nejmenším potřebným obsahem vody (pod 5 %). Jsou výhodně používány jako směsi na syrovo a mají velké uplatnění při strojním formování na automatických formovacích linkách.
Je důležité, aby ve směsi bylo dostatek pojiva. Velmi důležitý je též pojivový systém voda- jíl, který z chemického hlediska představuje tzv. soly (kapalina v níž je rozptýlená tuhá fáze). Částice solu je tvořena jádrem a obalovou sférou, to celé dává tzv. micelu.
Důležitým pojmem je optimální vlhkost bentonitové směsi, je vlhkost, při které je směs nejlépe zpracovatelná. Stanovení optimální vlhkosti směsi nelze určit z maximálních hodnot vaznosti ze závislosti vaznost – vlhkost. To proto, že formovací bentonitové směsi jsou s maximální vazností suché a drobivé. Z tohoto důvodu hodnotu optimální vlhkosti Vopt stanovujeme na základě maximální prodyšnosti. S vlhkostí formovací směsi souvisí i možnost vzniku zálupů.
Z obr. 2-2. je patrné, jak množství bentonitu ve směsi ovlivňuje pevnost za syrova (vaznost) formovací směsi s křemenným ostřivem, čárkovaně je vyznačena optimální vlhkost dané směsi s příslušným obsahem bentonitu. Na obr. 2-3. je uvedeno stanovení optimální vlhkosti bentonitové směsi z průběhu její prodyšnosti.
Obr. 2-2. Vliv obsahu bentonitu na hodnocení vaznosti formovací směsi [4]
Obr. 2-3. Stanovení optimální vlhkosti bentonitové směsi z průběhu její prodyšnosti
[4]
Zhušťování, nebo-li spěchování, směsí I. generace je mechanický způsob pojení, který se provádí za účelem získání potřebného tvaru dutiny formy s vyhovujícími pevnostními vlastnostmi především na licí slévárenské formy. K pojení se využívá Van der Walsových sil a kapilárních tlaků. Během zhušťování se zmenšuje celkový objem směsi až do vyčerpání její plastické deformace. Ke způsobům zhušťování formovacích směsí I. generace se řadí : lisování, metání, střásání, střásání s dolisováním. Mezi nové metody se řadí např. zhušťování tlakem plynů.
Důležitým kritériem zhuštění je součinitel stlačitelnosti formovací směsi (α), který nabývá hodnoty (α = 1,3 až 2,4), lze vypočítat:
2 1
ρ α = = ρ
h
H , (2.1)
kde značí: ρ1 – hustota směsi před zhuštěním;
ρ2 – hustota směsi po zhuštění;
H – výška směsi v rámu před zhuštěním;
h – výška směsi v rámu po zhuštění;
Působící síla (P) nezhustí směs ve formě rovnoměrně v celém objemu formy.
Neplatí zde hydraulické zákony šíření tlaku všemi směry. S ohledem na disperzní povahu formovací směsi a vnitřní tření mezi zrny ostřiva i formovacího rámu se šíří
tlak pod lisovací deskou zákonem kužele maximálního tlaku. Tato skutečnost vede ke zmenšování účinné síly ve vzdálenosti od tlačné desky, viz obr. 2-4.
Obr. 2-4. Kuželová plocha při lisování formovací směsi [4]
Velikost zhušťovacího tlaku směsi (pz) v rámu ve vzdálenosti (z) od tlačné desky lze vypočítat:
a
k z k
z p e
p = ⋅ −4 ⋅ξ⋅ (2.2) kde značí: pk –měrný tlak na lisovací desce;
k – hodnota součinitele tření směsi o formovací rám;
ξ – poměr svislého a radiálního tlaku v úrovni (z);
a – strana formovacího rámu.
Tlak směsi po zhuštění pz v určitém místě formy z, od lisovací desky představuje exponenciální průběh.
Kvalita upěchování formy musí odpovídat požadované pevnosti formy, která musí odolávat metalostatickým a metalodynamickým účinkům tekutého kovu a současně musí zabezpečovat dobrou prodyšnost formy.
Pojiva II. generace – jsou založená na chemické podstatě pojení, budˇ za tepla nebo za studena. Pojiva mohou být organická nebo anorganická (minerálního původu).
A. Organická pojiva
Organická slévárenská pojiva, která se používají ve slévárenství jsou :
Přírodní oleje, umělé pryskyřice, sacharidy:
Tato pojiva mají uplatnění především v oblasti jádrových směsí a umožňují progresivní metody výroby jader. Směsi mají vysokou pevnost po vytvrzení v ohybu a nízkou teplotu termodestrukce a dobrou rozpadavost. Nevýhodou pryskyřičných pojiv je vysoká plynotvornost. Tato jádra lze déle skladovat. Směsi mají i velmi dobrou tekutost, proto se mohou do jaderníku foukat (suché obalené směsi) nebo vstřelovat. Starší druhy organických pojiv, jako sacharidy a živočišné a rostlinné oleje, jsou dnes nahrazovány umělými pryskyřicemi.
1. Olejová pojiva – jsou ve vodě nerozpustné. Používají se jen ty, které mají schopnost tuhnout oxidací za vzniku pryskyřitých látek. Jsou určena pro výrobu jader, směs obsahuje cca 2 až 4 % olejového pojiva. Získávají se z mastných kyselin, jejíchž základem strukturního vzorce je benzenové jádro s několika dvojnými vazbami. Oxidace a sušení olejového pojiva při teplotě 230 až 250 °C způsobuje vytvrzovací proces ostřiva s pojivem.
2. Sacharidy – jsou ve vodě rozpustné, proto při mísení může být směs vlhká.
Sacharidy výrazně zvyšují vaznost písku za syrova. Nevýhodou je, že přijímají vlhkost ze vzduchu. Mají dobrou pevnost po vysušení. Používají se při výrobě jader.
Četné sacharidy mají poměr v molekule H a O rovný 2:1 (stejně jako v H2O).
Jejich přibližné složení může být vytvořeno vzorcem: Cn(H2O)n. Sacharidy se dělí na dvě skupiny:
Sacharidy s nižší molekulovou hmotností (monosacharidy a oligosacharidy ), to jsou běžné cukry; sacharidy s velkou molekulovou hmotností, označují se též polysacharidy, jejich obecný vzorec je (C6H10O5)n . H2O.
Monosacharidy jsou bezbarvé krystalické látky, které se lehce rozpouštějí ve vodě. Při vyšších teplotách hnědnou za vzniku karamelu.
Glukoprén je technický roztok glukózy upravený 10% síranu amonného. Je to hnědá sirupová kapalina s pH = 5,5. Jeho použití je pro vstřelování jader vstřelováním.
Melasa je matečný louh z výroby cukru. Obsahuje cca 50% sacharózy, 20% H2O a zbytek tvoří alkalické soli. Vysoký obsah alkalických solí způsobuje navlhání forem a jader, což se projevuje značnou plynatostí.
Dextronér je matečný louh z výroby glukózy. Sušením dextronéru při teplotě cca 210 °C se získávají vyšší mechanické vlastnosti. Při delším skladováním se vylučuje glukóza, tomu lze předejít přidáním 8% síranu amonného.
Polysacharidy jsou láky, které se při hydrolýze minerálními kyselinami rozpadají na monosacharidy. Některé tvoří ve vodě koloidní roztoky tzv. škroby.
Škrob je bílý prášek, ve studené vodě téměř nerozpustný. Běžný škrob mívá 10 až 20% vody. Tu odstraníme opatrným sušením. Vysušený škrob je značně hydroskopický. Při rozpouštění v horké vodě škrob bobtná a vzniká silně viskózní, opticky aktivní roztok, který po ochlazení vytváří lepivý gel označovaný škrobový maz. Ve slévání se škrobovitého mazu využívá velmi málo.
Používá se jako přísada do bentonitových směsí ve formě dextrinu, který zlepšuje spěchovatelnost, plastičnost a houževnatost formovacích směsí.
3. Pryskyřice – organické látky; po vytvrzení ve vodě nerozpustné a nenavlhavé.
Při vytvrzování pryskyřice obalí zrna ostřiva a vytvoří se kompaktní tepelně nevratná hmota. Nejpoužívanější druhy pryskyřice jsou: fenolické, alkydové, polyuretanové, akrylátové, močovinové, atd.
Technologické vlastnosti směsí s pryskyřičnými pojivy závisí na druhu pryskyřic a na účelu použití směsí. Všechna pojiva na základě syntetických pryskyřic mají toxické účinky na lidský organizmus. Přispívá k tomu vývin volného fenolu, formaldehydu nebo furanu během přípravy a vytvrzování směsi, které působí na centrální nervovou soustavu člověka. Proto další vývoj pryskyřic je dnes ovlivňován přísnými zdravotními předpisy i jejich vlivu na pracovní a životní prostředí.
Pryskyřice se dělí dle způsobu vytvrzení na:
- pryskyřice vytvrditelné teplem
- pryskyřice vytvrditelné působením katalyzátoru
Pro slévárenské účely jsou pryskyřice vyráběny polykondenzací (rozvětvování strukturních řetězců):
a) fenolické pryskyřice b) močovinoformaldehydové c) furanové
d) kombinované
B. Anorganická pojiva
Mezi anorganická pojiva se řadí vodní sklo, sádra, cement a další koloidní silikáty.
1. Vodní sklo : je anorganického charakteru a je určeno pro výrobu forem, pro výrobu jader se nedoporučuje z důvodu velké zbytkové pevnosti. Směsi s vodním sklem se dříve nazývaly chemicky tvrzené. Některé výhody směsí s vodním sklem vytvrzovaných CO2 byly hybnou silou vývoje nových, resp. samotvrdnoucích směsí s vodním sklem. K nevýhodám CT směsí s CO2 se řadí:
a) velmi malá vaznost (pevnost za syrova);
b) omezená skladovatelnost;
c) vysoká spotřeba CO2;
d) nižší pevnost po vytvrzení ve srovnání s organickými pojivy;
e) zhoršená rozpadavost.
Formovací směsi s vodním sklem se dělí do dvou skupin:
1) směsi s ovládaným ztužováním (profukování CO2, vytvrzování vzduchem, vytvrzování mikrovlnné a infračerveným zářením);
2) směsi bez ovládaného ztužování (ST směsi a samotvrdnoucí směsi).
Pojivový systém vodní sklo – CO2; výroba CT směsí
Křemičité ostřivo s vodním sklem se upěchuje v rámu nebo v jaderníku a profoukne oxidem uhličitým. Tento způsob se používá jak pro výrobu forem, tak jader. Celý velice složitý proces se může zapsat chemickou rovnicí :
3 2 4 2
2 2
2O mSiO nH O CO mSi(OH) Na CO
Na ⋅ ⋅ + → + (2.3) (vodní sklo + oxid uhličitý → gel kyseliny křemičité + soda)
Oxid uhličitý je suchý, kyselý plyn, který vodní sklo vysuší a současně převede do kyselé rosolovité podoby, tím vzniká gel kyseliny křemičité. Gel kyseliny křemičité postupně přechází v kompaktní hmotu, která získává pevnost v tlaku cca 1 MPa.
Dalším produktem je uhličitan sodný, tzv. soda. Ta se může při vyšších teplotách rozkládat na plyn Na2 O, který je škodlivý pro možnost naplynění taveniny.
Celé používání směsí na bázi vodního skla souvisí s jeho horší rozpadavostí.
Proto se v současné době zkouší do vodního skla přidávat různé přísady, které podporují rozpadavost směsí po jejich vytvrzení – tj. snižují zbytkovou pevnost směsí po odlití. Tím byla za uplynulých cca 40 let vyvinuta celá řada dalších variant směsí na bázi vodního skla, jako samotvrdnoucí s práškovými nebo kapalnými tvrdidly – estery.
Pojivový systém samotvrdnoucích směsí s vodním sklem (ST – směsi)
Jsou to směsi s vodním sklem, kdy je proces vytvrzování založen na jiném principu a je doprovázen buď exotermickou reakcí nebo bez exotermické reakce.
K těmto metodám patří ST směsi vytvrzované práškovými čistými kovy ( Al, Zn, atd.) nebo práškovými FeSi nebo CaSi, což je N-metoda (Nishyama – proces). Obě skupiny ST směsí využívají principu rozkladu vody kovem (reakce alkalických roztoků a kovy) za vzniku vodíku a velkého tepelného efektu, který podporuje dehydrataci alkalického křemičitanu.
N-proces vychází z velké slučivosti (afinitě) kyslíku s křemíkem:
FeSi + 2H2 → SiO2+Fe + 2H2 (2.4) Průběh exotermické reakce je řiditelný variací obsahů vodního skla a FeSi ve směsi:
Na2O · nSiO2 · H2O → 2NaOH + nSiO2 (2.5) FeSi reaguje s NaOH:
mFeSi + 2NaOH + (2m-1)H2O → Na2O · mSiO2 + 2mH2 + mFe (2.6) Proces je silně exotermickou reakcí a probíhá tak dlouho, dokud nejsou FeSi a voda spotřebovány:
Na2O · nSiO2 + mFeSi + 2mH2O → Na2O · mSiO2 + nSi(OH)4 + 2mH2 + mFe (2.7) Celý proces lze zapsat zjednodušeně :
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 (2.8)
Nevýhodou N – procesu je vznik vodíku, který se vzduchem tvoří třaskavou směs.
Rovněž vysoká teplota směsi působí nepříznivě na laky modelů a jaderníků.
Uplatnění našly ST směsi vytvrzované práškovými nebo kapalnými tvrdidly.
Nesnadná rozpadavost forem s vodním sklem dala základ pro další způsoby vytvrzování vodního skla.
Vodní sklo může být vytvrzeno esterolem, který obsahuje dvě složky esterů.
Jedna složka má nízkou rychlost vytvrzování, druhá vysokou rychlost vytvrzování.
Esterol je hnědá až žlutá kapalina, bez zápachu a nemá agresivní účinky. Je netoxická a nehořlavá, v uzavřených nádobách je dobře skladovatelná.
Vytvrzovací proces je založen na dvoustupňové reakci. V prvním stupni dochází v alkoholickém prostředí vodního skla k rozkladu esteru, kdy se uvolňuje kyselina.
V druhém stupni dochází vlivem uvolněné kyseliny k želatinaci vodního skla a ke vzniku pojivových gelů kyseliny křemičité. Mechanismus je podobný jako při reakci vodního skla s CO2. Za výhodu vodního skla s esterolem lze pokládat velice dobrou rozpadavost vytvrzené směsi.
2. Sádra : Sádrová pojiva se používají na výrobu sádrových forem pro výrobu přesných odlitků. Jelikož se má diplomová práce vztahuje k sádře, tak se více o ní rozepíši v další kapitole.
3. Cement : cementové formovací směsi patří k nejstarším. Jsou hlavně používány ve Francii a Německu. Je to způsobeno tím, že v těchto zemích se vyrábí více druhů speciálních cementů. Běžná cementová směs obsahuje 70 až 80 hmot. dílů křemenného ostřiva, 10 až 12 hm. dílu cementu a zbytek je voda. Cement, jako sádra, tvoří tzv. hydratační pojivo.
Hydratace probíhá po celém objemu. Vznikají nové krystalické fáze z přesyceného roztoku a srůstají se v kompaktní celek. Vodní součinitel je 0,6 až 0,9 (hmotnost vody/ hmotnost cementu). V současné době se používají klasické cementové směsi s dobou vytvrzování více než 48 hod. Dále cementové směsi s melasou, která urychluje tuhnutí a současně vzniká síťový polymer, který zpevňuje směs a zvyšuje její plasticitu. Doba vytvrzování trvá více jak 24 hod.
Při výrobě cementových forem a jader je důležité, aby cement dostatečně chemicky vázal veškerou vlhkost směsi. Cementové směsi pak při dokonalém vytvrzení při styku roztaveného kovu s formou neuvolňují téměř žádné plyny.
Používána jsou ostřiva křemenná, šamotová, olovínová. Hlavní výhodou cementových směsí je jejich tuhnutí na volné atmosféře bez komplikovaného sušení forem a jader.
4. Etylsilikát : organický ester kyseliny křemičité. Používá se pro výrobu keramických forem metodou vytavitelného modelu. Vytvrzení etylsilikátu nastává samovolným rozkladem etylsilikátu nebo se urychluje přidáním kyseliny solné nebo čpavku. K nejpoužívanějším v našich slévárnách patří ETYLSILIKÁT 40.
Pojiva III. generace – jsou založeny na fyzikálním účinku pojení s ostřivem.
Fyzikální účinek můžeme vyvolat pomocí magnetického pole, zmrazování, vakua.
Pro magnetický způsob pojení je zapotřebí jiného druhu ostřiva než se používá běžně ve slévárenství. Jedná se nejčastěji o broky z ocele (magnetický materiál).
2.1.3 Přísady formovacích a jádrových směsí a voda
Jedná se o látky obsažené ve formovací směsi, které nám zlepšují slévárenské vlastnosti formy. Jednou z nejpoužívanějších přísadou je např. kamenouhelná moučka dále to mohou být i dřevěné piliny.
Po odlití dřevěné piliny vyhoří a vzniknou nám póry, které nám způsobují lepší prodyšnost formy.
V současné době různé firmy nabízí přísady, které známe pod určitým obchodním označením a nebývá uváděné přesné chemické složení nebo jejich podstata.
Voda je zdrojem vývinu plynů, vodní páry atd. Tyto plyny jsou nežádoucí, mají značný vliv na špatnou kvalitu odlitků. U pískových směsí se používá cca 4 % vody, závisí na způsobu zhušťování. Voda je jednou z nejdůležitějších součástí při výrobě např. sádrových, cementových a jílových směsí. Voda zde působí jako plastifikátor, tzn. dává formovací směsi vlastnosti nutné k udržení daného tvaru po formování.
Po ztuhnutí sádrových nebo cementových směsí je voda „přebytečnou“ látkou, která může být volná nebo vázaná v chemických sloučeninách. Voda volná se odstraňuje odpařováním při teplotě nad 100 °C. Voda vázaná se odstraňuje při teplotách vyšších, při tzv. žíhání.
2.2 Charakteristika sádry a sádrových formovacích směsí [5], [6]
Z důvodu, že experimentální část této diplomové práce je zaměřena na sledování plynatosti vzorků ze sádrové směsi, resp. ze sádry, byla zvolena samostatná kapitola, která se týká její charakteristice.
Sádra patří mezi látky rozpuštěné v mořské vodě. Během mnoha let se vytvořila falešná mořská dna. Díky odpaření se vody se v těchto místech uchoval i sádrovec.
Ve střední Evropě před 210 - 110 miliony let vznikly velké zásoby sádry. Pokud se tvořily nánosy, došlo k překrývání a sádrovec se dostával níž a níž a díky vyššímu tlaku a rostoucí teplotě došlo o odbourání krystalické vody a vznikl Anhydrit
(bezvodý CaSO4). Takto vznikly přírodní zásoby sádrovce a anhydritu, které se nachází v hloubce od 2 do 70 m, které se dnes využívají.
Obecná charakteristika sádry
Sádra je tzv. hydraulické (hydratační) pojivo. Z chemického hlediska představuje polohydrát síranu vápenatého (hemihydrát síranu vápenatého) CaSO4·1/2H2O.
Podstatou výroby sádrové formy je z chemického hlediska v podstatě přidání vody do sádry:
CaSO4·1/2H2O(S) + 3/2H2O(l) → CaSO4·2H2O(S)
Po ztuhnutí sádry získáme v podstatě sádrovec, který obsahuje určité množství vázané vody.
Současně je třeba uvést, že naopak sádra se vyrábí odvodňováním a mletím sádrovce:
CaSO4 ·2H2O(S) → CaSO4 · 1/2H2O + 3/2H2O(l)
V technické praxi se sádra používá především na výrobu menších a drobných předmětů. V našich slévárenských podmínkách se používá na výrobu centálních částí vlnovodů, malých lopatek dmychadel.
V dávných dobách byla sádra používána na výrobu drobných předmětů a také při stavbě egyptských pyramid. Staří Řekové ji poprvé používali cíleně a nazývali ji Gypsos. Tenké plátky alabastrové sádry používali pro zasklení chrámových oken. Využití sádry v minulosti je zobrazeno na obr. 2-5.
Obr. 2-5. využití sádry ve starém Řecku [5]
Ve střední Evropě se sádra začala používat v ranném středověku. Sádra se používala jako malta ke zdění. Mezi tyto stavby patří například ruina kláštera Walkenried ze 14. století. Svůj rozkvět zažila sádra v době baroka a rokoka. V této době vznikaly mnohé štukatérské výzdoby, které můžeme obdivovat až do dnešních dnů.
Objevitel používání sádry jako spojovacího materiálu je neznámý. Možná se kameny přírodní sádry používaly k ohraničení ohniště a teplota je rozdrolila na drobný prášek. Pravděpodobně někdo smíchal tento prášek s vodou a vznikla sádrová kaše, která se dala vytvarovat do požadovaného tvaru a na vzduchu vytvrdla. To je celé tajemství přípravy sádry. Z přírodního sádrovce odstranit zahřátím vodu, aby se do sádry před používáním znova voda přidala. Sádra je jediná přírodní látka, která se přidáním vody dokáže vrátit do své původní formy.
Sádrovec obsahuje 20% krystalické vody, která se vypaluje při 150°C. Obr. 2-6.
nám ukazuje krystalickou stavbu sádry.
Obr. 2-6. Sádra: CaSO4 . 2H2O [5]
Vlastnosti sádry
Názvem sádra označujeme všeobecně produkt, který vzniká zahřátím přírodního nebo umělého sádrovce nad dehydratační teplotu. Krystalická mřížka sádrovce je jednoklonná. Je bezbarvý, narůžovělý i našedlý, má specifickou hmotu 2310 kg/m3, ve vodě je jen málo rozpustný. Lépe se rozpouští ve vodních roztocích kyseliny solné, dusičné, uhličité, zředěných roztocích chloridu sodného a alkalických síranů.
Zahříváním ztrácí sádrovec krystalovou vodu a přechází v nižší hydráty až bezvodý síran vápenatý. Označují se polohydrát, rozpustný anhydrit, nerozpustný anhydrit a vysokoteplotní anhydrit. Kolik krystalové vody zbývá po zahřívání sádrovce a jaké má vlastnosti vyrobená sádra, závisí na dehydratačních podmínkách.
Podle Van´t Hoffa začíná sádrovec ztrácet vodu při teplotě 101 °C. Jiní autoři uvádějí teplotu 97 °C nebo i 90 °C. Také rozmezí teplot pro výrobu jednotlivých druhů sáder se v literatuře často liší.
Výroba sádry
Např. alabastrová sádra obsahující β – polohydrát se vyrábí pálením rozemletého sádrovce při teplotě 130 °C – 180 °C v otevřených kotlích nebo rotačních pecích. po vypálení se sádra domílá a třídí větrným třídidlem. Moderně zařízené provozy rozemílají křehký sádrovec hned napoprvé velmi jemně a třídění i vypalování provádějí současně horkým vzduchem. I když je sádra známá již několik tisíc let, nejsou dnešní vědomosti ještě na takovém stupni, abychom mohli vysvětlit do všech podrobností rozdílnou vnitřní strukturu nebo různé chování sádrových nerostů k vodě.
Tuhnutí sádry
Sádra rozmíchaná s určitým množství vody na řídkou kaši tuhne v pevnou hmotu.
Tuhnutím označujeme přechod ze stavu kašovitého do stavu tuhého. Po rozmíchání sádry s vodou probíhá opačný děj než při pálení. Reakce se může vyjádřit rovnicí:
(CaSO4)2 · H2O + 3H2O = 2CaSO4 · 2H2O + teplo (2.12) Tuhnutí můžeme rozdělit do tří dílčích pochodů, které se ve skutečnosti časově překrývají. Vznik nasyceného roztoku polohydrátů ve vodě, jeho přeměnu na dvojhydrát a nakonec tuhnutí v užším slova smyslu, tj. krystalizace dvojhydrátu.
Po prošlé reakci je vhodný roztok přesycený dvojhydrátam, protože plohydrát je několikrát rozpustnější než dvojhydrát. Dvojhydrát vykrystalizuje z roztoku v ostrých jehličkách, které se do sebe zakloubí. Hned na to následuje další rozpuštění a opětná krystalizace. To se opakuje tak dlouho, až celá hmota ztuhne.
Tuhnutí je vždy provázeno zvětšením objemu a uvolněním tepla, které se rovná součtu rozpuštěného a hydratačního tepla. Teplota, na kterou se dané množství sádry při tuhnutí ohřeje, závisí na rychlosti tuhnutí.
Sádrové formovací směsi
Formy ze sádrových směsí se zhotovují odléváním z velmi tekuté břečky, která přesně vyplní složité tvary modelu a tak zaručuje přesné vytvoření formy. Do sádrových forem se odlévají složité modely slitin hliníku, mosazí a bronzů. Odlitky jsou hladké a dosahují přesnosti ±0,2 na 300 mm .
Metody výroby sádrových forem
Odlévání odlitků z neželezných kovů do sádrových forem bylo známo již v dávnověku. Účelem těchto metod nebylo dosažení přesných geometrických tvarů, ale hlavně dobrá reprodukce obrysů uměleckých předmětů, které byly rozmnožovány odléváním.
Současná slévárenská technologie vyžaduje od sádrových forem více. Základními hledisky při jejich hodnocení jsou přesnost rozměrů po vysušení, hladkost povrchu a odolnost proti praskání při sušení, dostatečná pevnost a prodyšnost, minimální vývin plynů při lití, atd. U odlitků z těchto forem se hodnotí hladkost povrchu a rozměrová přesnost. Uvedené požadavky lze zajistit pouze speciálními technologickými postupy přípravy sádrové směsi a výroby sádrové formy. Jsou to metody : Antioch, Bendix a metoda napěněné směsi.
a) Metoda Antioch – Metoda je využívána v řadě zahraničních slévárnách, jejím účelem je získání forem s vysokou prodyšností a nízkým obsahem vody. Prodyšnost se dosáhne dvoufázovým zpracováním forem.
V prvé fázi, po odlití a ztuhnutí formy se z ní vyjme model a vloží se do autoklávu, kde se paří 9 hodin v páře o tlaku 0,1 MPa. V této fázi se sádra mění z dvouhydrátu na půlhydrát. Doba tuhnutí sádrové směsi je 10 - 11 minut.
V druhé fázi se sádrové formy krátce ponořují do vody a odkládají se na 16 hodin, aby mohl proběhnout rekrystalizační pochod. Sádra se mění zpět z půlhydrátu na dvouhydrát, její struktura se však stává zrnitou. Povrch forem si zachovává svou původní hladkost. Poté nastává sušení v pecích s cirkulací vzduchu při teplotě 300 °C po dobu 10 až 15 hodin. Rekrystalizace je doprovázena smršťováním formy, které činí 0,6 %.
b) Metoda Bendix – Při tomto způsobu se používá předehřívaných sádrových forem.
Formovací směs se skládá ze sádry, mastku, křemičitého písku, asbestu a dalších přísad. Formy jsou přesnější než u předchozího způsobu, její nevýhodou je menší prodyšnost. Z toho důvodu je nutno formu důkladně vysušit. Optimální podmínky pro sušení jsou při teplotě 230 °C po dobu 16 hodin. Odlévá se zpravidla odstředivým způsobem. Vlivem tepla tekutého kovu ztrácí sádra konstituční vodu a pevnost, která se však zmenšuje až po ztuhnutí zrnových podílů kovu, takže se tato vlastnost neprojeví na přesnosti odlitku.
c) Metoda napěněné směsi – Princip je založen na poznatku, že přísada malého množství povrchově aktivní látky do směsi způsobí při mísení napěnění sádrové hmoty. zvyšuje se tekutost směsi při obvyklé vlhkosti, po ztuhnutí dostáváme formovací hmotu prostoupenou množstvím bublinek navzájem složených mikrokanálky, takže forma dosahuje značné prodyšnosti.
Během hydratace a tuhnutí sádrové kaše, ve které je malý přebytek vody, dochází k vytvoření pevného filmu na líci formy. Známka správného stupně napěnění směsi je vyloučení přebytku kapiček vody na povrch formy vlivem hydratačního teply.
Příprava napěněné sádrové směsi je dvoustupňová.
Nejdříve se připravuje saponátová emulze a její napěnění. Po napěnění emulze se přidává do mísícího zařízení sádrová kaše, rozdělaná v jiné nádobě a provádí se homogenizační mísení. Doba tuhnutí se pohybuje od 15 do 20 minut. Po ztuhnutí směsi se vyjme model a forma se suší při teplotě 50 °C – 60 °C po dobu 8 – 24 hodin.
2.3 Plynový režim slévárenské formy
[2]Zdrojem plynů v procesu lití, tuhnutí a chladnutí odlitků je forma, kov a reakce, probíhající na hranici forma – kov. Platí zde zásada, aby plyny formy odcházely formou a plyny kovu kovem. Při nevhodných energetických podmínkách na hranici forma – kov, často dochází k pronikání plynu formy do kovu a opačně, což je zdrojem celé řady slévárenských vad. Plyny jsou z 50% hlavní příčinou zmetkových odlitků ze šedé litiny, 35% u ocelových a ze 40% u odlitků z neželezných kovů.
Avšak plyny spolupůsobí na daleko větším podílu slévárenských vad a podílejí se na většině fyzikálně-chemických procesů ve formě i na hranici forma – kov. Přesto zůstává úloha plynů dodnes nedoceněna, zvláště pro zvýšené nároky na experimentální práci, a tedy i neúplné znalosti procesů, které jsou mnohdy založeny na teoretických dohadech.
Podle původu plynů rozeznáváme v odlitcích bubliny exogenní a endogenní.
Forma nebo jádra jsou zdrojem exogenních plynových bublin, které jsou charakterizovány jako bubliny s oxidovaným povrchem, nacházející se blízko u povrchu odlitků a je-li z jedné tavby odléváno více odlitků, výskyt exogenních bublin nemusí být u všech. Naproti tomu endogenní bubliny, které vznikají přímo v kovu
(odlitku) mají hladký, neoxidovaný povrch nacházející se v celém objemu odlitku a ve všech odlitcích litých z jedné tavby.
S touto hrubou, orientační charakteristikou často nevystačíme a určit původ plynových bublin v odlitcích vyžaduje značné teoretické i praktické znalosti. Poloha identifikovatelné bubliny v odlitku ve většině případů nesouhlasí s místem jejího vzniku, povrch exogenních bublin tvořených vodíkem – atmosférou formy je hladký a neoxidovaný.
Plyny v kovech se nacházejí v různých formách, jako např. molekulární, atomární, chemické sloučeniny a jako roztoky s kovem.
Plyny v molekulární (atomární) formě jsou zdrojem slévárenských vad – bubliny.
2.3.1 Plynotvornost formovacích směsí
Vývin plynů ve slévárenské formě (jádře) je důsledkem tepelného působení tekutého kovu na formovací směs, kde probíhají procesy vypařování, uvolnění chemicky vázané vody , oxidace, disociace, atd. Proto na plynotvornost má rozhodující vliv především formovací směs.
Plynotvornost směsi: Rozumíme tím schopnost směsi při ohřevu vyvíjet plyny a vyjadřujeme ji v cm3 na 1g směsi. Pro měření plynotvornosti byla vypracována nepřeberná řada zkušebních metodik.
A. Velkou skupinou tvoří zkoušky měření plynotvornosi přímým spalováním vzorků směsi v el. peci. Je pak měřen objem vzniklých plynů nebo úbytek hmotnosti vzorku směsi. Tyto laboratorní metody však neberou ohled na nerovnoměrné prohřátí formy a jádra a proto je pochopitelné, že mnohem přesnější budou přímě metody měření množství plynů, uvolněných z formy ve styku s kovem.
B. K dokonalejším metodám ve skupině přímých stanovení plynotvornosti patří metoda BERGA a MEDVĚDĚVA. Zkušební jádro o ϕ 150 mm s pracovním povrchem 176 cm2 a tloušťky 50 mm je zaléváno ve speciální kokile kovem.
Vzniklý plyn je odváděn trubicí do vodního měřiče objemu. Důležitou podmínkou je, aby kov zaplnil formu a překryl jádro co nejrychleji, a tak zamezil odchodu plynů a par do dutiny formy.
Rovněž jsou doporučovány přímé metody stanovení plynotvornosti, kde zkoumaná směs vystupuje jako pravé jádro, nebo směs je zapěchována do kovové nebo keramické nepropustné trubice a styk s kovem má jen čelo jádra.
2.3.2 Zdroje plynů a par při ohřevu slévárenské formy
[1], [2]Při dosažení určité teploty prodělávají některé složky formovacích a jádrových směsí významné fyzikálně chemické přeměny doprovázené uvolňováním plynných produktů.
Ze složek formovací směsi vykazuje značnou plynatost voda a další kapalná rozpouštědla, některé minerály, pojiva, organické přísady a další látky.
Komplex fyzikálně chemických dějů, podílejících se na vývinu plynů a par při ohřevu formovacích a jádrových směsí, tvoří :
1) vypařování vody a jiných kapalných látek (rozpouštědel).
2) spalování organických látek.
3) destilace různých tuhých i kapalných organických látek.
4) tepelný rozklad minerálů – příměsí, které jsou součásti směsi.
5)disociace uvolňujících se plynů a průběh některých chemických reakcí za účasti plynné fáze.
6) rozpínání vzduchu obsaženého v pórech formovací směsi.
Uvedené dílčí zdroje mají sice rozdílnou fyzikálně chemickou podstatu a také teplotu, při níž se začínají uplatňovat, avšak v důsledku nerovnoměrného rozdělení teplot ve slévárenské formě při ohřevu probíhají prakticky současně.
Základní charakteristiky:
Vypařování vody : nejvíce se projevuje u směsí obsahující vodu jako rozpouštědlo pojiv (např. jílů ve směsích pro syrové formy). Kromě vody mohou být ve směsích obsaženy i jiná rozpouštědla. Voda obsažena ve formovacích a jádrových směsích je s minerálními i organickými složkami směsi vázána chemicky, fyzikálně chemicky a mechanicky.
Chemicky vázaná voda je součástí krystalové mřížky minerálních složek směsi.
Lze ji uvolnit při poměrně vysokých teplotách, charakteristických pro daný materiál.
Fyzikálně chemicky vázaná voda je voda, tvořící disperzní prostředí koloidních soustav pojiv. K jejímu uvolnění je třeba přivést značné množství tepelné energie, tím větší, čím je voda vázána na částici. Mechanicky vázána voda je ve směsích držena v důsledku snášivosti v kapilárách mezi jednotlivými částicemi směsi. Také její odpařování se odlišuje od procesu vypařování vody volné, která se ve směsích také vyskytuje.
Spalování organických látek: jsou obsaženy ve směsích, může probíhat za přítomnosti oxidovadel, kterými jsou kyslík ze vzduchu uzavřeného v pórech formy nebo přicházejícího kapilárami formy, dále vodní pára a oxid uhličitý. Významné jsou zejména reakce oxidace tuhého uhlíku.
← + ( )→ )
(s O2 g
C CO2(g) (2.13)
2C(s) + O2(g)
←
→2CO(g) (2.14)
Dokonalé spalování uhlíků na CO2 je možné jedině při zajištění dostatečného přístupu vzduchu do reakční zóny.
Oxidace tuhého uhlíku probíhá také reakcemi C(s) + CO2(g)
←
→2CO(g) (2.15)
C(s) + H2O(g)
←
→ CO(g) + H2(g) (2.16)
C(s) + 2H2O
←
→ CO2(g) + 2H2(g) (2.17)
Destilace organických látek : nastává při ohřevu těchto složek bez přístupu vzduchu nebo jiného oxidovadla. Nejprve se při ní uvolňují těkavější frakce.
Konečným produktem destilace je koka. Tento děj se významně uplatňuje při ohřevu směsí obsahující větší množství organických pojiv (umělá pryskyřice).
Tepelný rozklad sloučenin : probíhá při ohřevu některých příměsí – minerálů obsažených ve směsi, přičemž se uvolňuje plynná složka.
Disociace plynů : v důsledku některého z popsaných dějů, může nastat při vysokých teplotách. Nejčastěji se takto rozkládají uhlovodíky. Dochází při tom ke zvětšování objemu plynné fáze a k usazování uhlíku ve formě sazí v pórech směsi.
Příkladem může být tato reakce:
CH4(g)
←
→ C(s) + 2H2(g) (2.18)
Rozpínání vzduchu : objem vzduchu a dalších plynů uzavřených v pórech mezi částicemi formovací směsi činí, v závislosti na pórovitosti směsi, asi 26 – 38 % objemu směsi. Při ohřevu formy se objem tohoto plynu bude zvětšovat. Ve většině případů se však toto zvětšení objemu při ohřevu na 500 – 700 °C bude podílet pouze malou částí na celkovém objemu uvolňujících se plynů a to jen velmi krátkou dobu (pouze několik sekund po zaplnění formy taveninou).
Z uvedeného přehledu je zřejmé, že vznikající plyny tvoří směs, v níž převládají redukční složky (CO, H2). V závislosti na množství a rychlosti vývinu plynů a odporu, který klade forma nebo jádro jejich unikání z místa vzniku do volné atmosféry, se projevují určitým tlakem. Při vysokých hodnotách tlaku v blízkosti líce formy může dojít k proniknutí plynů do taveniny v dutině formy a tím ke vzniku plynových bublin v odlitku.
Uvolňování plynů a par ve formách a jádrech začíná na rozhraní kov – forma a postupně se oblast vývinu plynů posouvá do hloubky formy tak, jak postupuje ohřev formy na teplotu rozkladu jednotlivých složek. Znázornění průběhu uvolňování plynů ve stěně formy při určitém rozdělení teplot v čase po odlití je znázorněno na obr. 2-7.
Obr. 2-7. Průběh uvolňování plynů ve stěně slévárenské formy [1]
Z obrázku je patrné, že po odlití se ve stěně formy vytváří několik vrstev (I až V) s různým stupněm vývinu plynů. Z vrstvy I se za daných podmínek ohřevu a dosažené teploty uvolnily veškeré plyny a páry, směs v této vrstvě je vyžíhaná.
Tloušťka každé vrstvy v daném okamžiku je určena rozdělením teplot ve formě (teplotním polem formy) a hodnotami teplot rozkladu jednotlivých složek směsi.
Hranice mezi vrstvami nejsou ostré, zejména v těch případech, kdy se složky rozkládají v intervalu teplot. Důsledkem vzniku takovýchto vrstev je ztráta počátečních stejnorodých vlastností slévárenské formy, především mechanických a tepelně fyzikálních.
Rychlost posunu zaplyňování látek do nitra formy závisí na kritické teplotě rozkladu, tepelné vodivosti směsi a na teplotě rozhraní kov – forma. Se zvyšující se teplotou rozkladu látek se snižuje rychlost posunu zón.
V tabulce 2-1 jsou pro představu uvedeny kritické hodnoty teplot rozkladu vybraných látek
Plynotvorný podíl ve směsi [hmot. %]
Kritické teploty rozkladu [°C]
Voda 100
Jílové pojivo 200 až 400
Vápenec (CaCO3) 860 až 910
Sulfirové pojivo 220 až 260
MF pryskyřice 280 až 320
FF pryskyřice 650 až 750
Poznámka : hodnoty teplot jsou uvedeny pro tlak 101325 [Pa]
2.3.3 Plynotvornost reálné formy
Plynatost, resp. celkové množství uvolněných plynů lze orientačně vypočítat.
Výpočet plynotvornosti reálné formy vychází z následujících předpokladů, že tento proces nezávisí na tlaku plynů a probíhá v rovnovážných podmínkách při určité teplotě, počátek uvolněných plynů je shodný s okamžikem styku formy s kovem a vlastnosti formovací směsi se nemění s časem.
Celkové množství uvolněných plynů formou (Vpl) je dáno plynotvorností směsi (M) a objemem formy (Vf), který byl ohřát nad kritickou teplotu TM, při které se uvolňuje daný plyn.
