SLEDOVÁNÍ DILATAČNÍCH ZMĚN FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMĚSÍ PŘI JEJICH OHŘEVU

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ

Katedra strojírenské technologie

Studijní program M 2301 Strojní inženýrství Studijní obor 2303T002 Strojírenská technologie

Zaměření Strojírenská metalurgie

SLEDOVÁNÍ DILATAČNÍCH ZMĚN FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMĚSÍ PŘI JEJICH OHŘEVU

OBSERVING THE DILATATION CHANGES OF FORMING AND CORE MIXTURES DURING THEIR HEATING

Martin Chalupa KSP – SM – 530

Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Iva Nová, CSc.

Konzultant diplomové práce: Ing. Jiří Machuta Vedoucí katedry: Doc. Dr. Petr Lenfeld

Rozsah práce a příloh:

Počet stran: 94 Počet tabulek: 11 Počet obrázků: 31

Počet příloh: 4 23.5.2008

Strana pro originál zadání z katedry.

ANOTACE

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie

Studijní program: M 2301 Strojní inženýrství Diplomant: Martin Chalupa

Téma práce: Sledování dilatačních změn formovacích a jádrových směsí při jejich ohřevu

Observing the dilatation changes of forming and core mixtures during their heating

Číslo DP: KSP – SM – 530

Vedoucí DP: Prof. Ing. Iva Nová, CSc.

Konzultant DP: Ing. Jiří Machuta

Abstrakt:

Tato diplomová práce je zaměřena na sledování dilatačních změn formovacích a jádrových směsí při jejich ohřevu. Práce je rozdělena do dvou základních kapitol a to na teoretickou část a experimentální část. V části teoretické je popsána základní charakteristika slévárenských forem, charakteristika formovacích a jádrových směsí, fyzikální podstata dilatace pevných látek a popis zařízení pro měření této fyzikální veličiny. Část experimentální je zaměřena na popis výroby vzorků. Jedná se o vzorky různé zrnitosti ostřiva. Dále je popsán průběh měření a následné vyhodnocení získaných výsledků.

Abstrakt:

This thesis is oriented on observing the dilatation changes of forming and core mixtures during their heating. The thesis is divided into two basic chapters, theoretical and practical. The theoretical part describes the basic characterization of mould, formings and cores mixtures, physical basis of dilatation of solid substances and discribes the apparatus for measurement this physical value. The practical part focuses on describing the making of samples.

The samples have the different granularity of the opening materials. The measuring process and evaluation of gained outcomes are described later on.

Místopřísežné prohlášení:

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vytvořil samostatně. Opíral jsem se o poznatky z odborné literatury, která je v kapitole 6. Seznam použité literatury. Cenné byly i informace získané při konzultacích s vedoucí diplomové práce.

V Liberci, 23.5.2008

……….

Martin Chalupa Štrauchova 1039 506 01 Jičín

Poděkování:

Děkuji vedoucí mé diplomové práce paní prof. Ing. Ivě Nové, CSc.

a konzultantovi Ing. Jiřímu Machutovi za věnovaný čas, cenné rady a připomínky, které přispěly k vytvoření této diplomové práce. V neposlední řadě bych rád poděkoval svým rodičům, kteří mi v průběhu studia poskytovali zázemí a podporovali mě psychicky a hmotně. Poděkování patří také všem ostatním, kteří větší či menší měrou přispěli k úspěšnému dokončení této diplomové práce.

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ... 9

1. ÚVOD... 10

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 12

2.1 Slévárenské formy a jádra ... 12

2.2 Charakteristika formovacích a jádrových směsí... 13

2.2.1 Ostřiva pískových formovacích směsí ... 15

2.2.1.1 Tvar a povrch zrna... 22

2.2.2 Pojiva pískových formovacích směsí... 23

2.2.2.1 Požadavky kladené na pryskyřičná pojiva ... 26

2.3 Přehled formovacích a jádrových směsí ... 29

2.4 Technologické vlastnosti formovacích a jádrových směsí... 31

2.4.1 Vlastnosti směsí za syrova ... 31

2.4.2 Vlastnosti směsí po vysušení nebo chemickém zpevnění (vytvrzení) . 32 2.4.3 Vlastnosti směsí během působení vysokých teplot taveniny ... 33

2.5 Tepelná roztažnost pevných látek ... 34

2.6 Dilatometrie pevných látek... 38

2.6.1 Charakteristika dilatometrů pro měření dilatačních změn formovacích směsí vyvinutých na TU v Liberci ... 39

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 44

3.1 Charakteristika měřicího zařízení ... 44

3.1.1 Popis jednotlivých částí měřicího zařízení ... 45

3.2 Charakteristika měřených formovacích směsí ... 47

3.3 Popis výroby vzorků pro měření dilatace ... 47

3.4 Popis postupu při měření dilatace... 51

3.5 Popis vyhodnocení naměřených hodnot ... 53

3.6 Grafické závislosti jednotlivých směsí průměrných hodnot dilatace na teplotě vzorku všech skupin měření ... 56

3.6.1 Grafické závislosti průměrných hodnot dilatace na teplotě vzorku při

ohřevu všech skupin měření... 56

3.6.2 Grafické závislosti průměrných hodnot dilatace na čase při ohřevu všech skupin měření... 58

3.7 Vyhodnocení grafických závislostí ... 59

3.8 Vypočítané součinitele teplotní roztažnosti α [K^-1] ... 60

4. DISKUSE VÝSLEDKŮ... 64

5. ZÁVĚR ... 67

6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 69

Seznam obrázků... 70

Seznam tabulek ... 71

Seznam příloh ... 71

SEZNAM POUŽITÝCH ZNA Č EK A SYMBOL Ů

α součinitel délkové teplotní roztažnosti [K^-1] β součinitel objemové teplotní roztažnosti [K^-1]

V objem látky [m³]

P tlak [Pa]

l délka [m]

∆l rozdíl délek [m]

l0 počáteční délka [m]

T teplota [°C]

T1 teplota okolí vzorku [°C]

T2 teplota vzorku [°C]

T0 teplota počáteční [°C]

U elektrické napětí [V]

∆U rozdíl elektrického napětí [V]

δ dilatace [µm]

εD poměrná dilatace [%]

k konstanta přepočtu [ - ]

σ pevnost v tahu [MPa]

τ pevnost ve střihu [MPa]

d50 velikost středního zrna [mm]

1. ÚVOD

Jedním z největších strojírenských oborů, mj. zajímavým a potřebným, je slévárenství, které se zabývá výrobou jednoduchých i složitých výrobků s co nejširším využití. Předpokladem výroby těchto odlitků je znalost mnoha aspektů, např. metalurgie a příprava taveniny kovů včetně kvalitních tavicích agregátů, výroba slévárenských forem a jader. Vše je potřeba dostatečně prozkoumat a následně náležitě aplikovat ve výrobním procesu, jehož cílem budou kvalitní odlitky, snížená zmetkovitost a zvýšená produktivita práce zejména ve slévárně, především pak ve formovně a čistírně odlitků.

Předpokladem výše uvedené situace je dobrá znalost surovin a materiálů používaných pro výrobu slévárenských forem a jader, jedná se například o ekonomické náklady na formovací hmotu, výskyt zmetkových odlitků a zlepšovat celkový vzhled odlitku.

Touto problematikou se již řadu let zabývají pracovníci Katedry strojírenské technologie TU v Liberci, kteří pro tento účel sestrojili měřicí zařízení pro sledování dilatačních změn kompaktních formovacích a jádrových směsí. Tato diplomová práce svým způsobem navazuje na diplomové práce, které byly vytvořeny na této katedře a napomohly k získání dilatačních křivek materiálů formovacích směsí, ale i ke zdokonalování konstrukce měřicího zařízení. První konstrukce měřicího zařízení pro sledování dilatačních změn formovacích, resp. jádrových, směsí je zaznamenána v diplomové práci TIETLA [8] z roku 1981. Zařízení pro měření dilatace nejprve bylo zkonstruováno na základě dělené odporové pece a postupem času byla konstrukce měřicího zařízení zjednodušena. Dělenou odporovou pec nahradila pec odporová trubková. Součástí tohoto zařízení byl indukční snímač polohy a převodník analogového signálu (měřené změny dilatace) a výstupní veličina byla registrována zapisovačem.

Na téma měření dilatace formovacích a jádrových směsí byla vypracována i diplomová práce MALINY [9] v roce 1981. V letech 1982 až 1984 byla na této katedře (dříve Katedra materiálu a strojírenské metalurgie) zpracovávána výzkumná zpráva, která se týkala „Měření vybraných vlastností jádrových směsí při vysokých teplotách“.

V současné době má zařízení pro měření dilatace jinou konstrukci odporové trubkové pece. Základem měřicí jednotky je neustále indukční snímač, ze kterého vede analogový signál do převodníku, a hodnoty v digitální podobě jsou zaznamenávány prostřednictvím softwarového vybavení počítače.

Úkolem mé diplomové práce je sledování dilatačních změn vybraných vzorků formovacích a jádrových směsí při jejich ohřevu na teploty cca 1000 °C.

Diplomová práce KSP-SM-530 vznikla s podporou výzkumného

záměru MSM 4674788501.

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1 Slévárenské formy a jádra

Slévárenská forma je pracovní předmět vyrobený ze žáruvzdorného materiálu. Tato forma má svou dutinu, která je negativem výsledného odlitku zvětšeného o míru smrštění. Součástí formy jsou systémy různých kanálků, a to vtokových nebo výfukových. Po odlití taveniny kovu do formy a následném ztuhnutí získáme výsledný odlitek. Tento odlitek je pak určen pro další zpracování. Slévárenské formy se dělí podle různých kritérií.

Netrvalé slévárenské formy - jsou vyrobeny formováním formovacích směsí a jsou určeny pouze pro jedno odlití. Po odlití taveniny kovu do této netrvalé slévárenské formy a po ztuhnutí taveniny se odlitek z formy vytluče.

Vytloukáním se slévárenská forma úplně rozruší a není možné formu opakovaně použít. Základním materiálem pro výrobu těchto slévárenských forem je písková formovací směs. Tato směs je tvořena ostřivem, pojivem a přísadami, v některých případech i vodou.

Polotrvalé slévárenské formy - jsou vyrobeny z různých žáruvzdorných materiálů a lze je využít pro více odlévání (cca 50 odlití). Tyto formy se po jednotlivých odlití musí prohlédnout, aby nebyly porušeny, a následně tepelně zpracovat, a to buď pouze vysušit nebo i vyžíhat. Tímto jsou polotrvalé formy znovu připraveny do cyklu slévárny a mohou se znovu použít. Pokud se jedná o odlitky, které budou odlévány do těchto polotrvalých forem, musí být opatřeny většími úkosy, než je tomu u forem netrvalých. Polotrvalé slévárenské formy se vyrábějí metodou SHAW. Druh materiálu na výrobu forem se volí v závislosti na velikosti odlitku a na teplotě lití.

Trvalé slévárenské formy - jsou vyrobeny z kovů nebo jejich slitin. Jsou kovové, proto se dají použít několikanásobně víckrát než polotrvalé slévárenské formy. Využívají se například pro vysokotlaké odlévání slitin hliníku. Jsou určeny pro velkosériovou výrobu odlitků. Pro výrobu těchto forem se jako základní materiál používají oceli, litiny s lupínkovým grafitem, mědi. Tyto formy

jsou cyklicky tepelně velmi namáhány, což na povrchu způsobuje mapování a časem se mohou objevit i deformace a praskliny. Tím se forma znehodnotí a dále už nesmí být používána.

Jádra - jsou různě tvarovaná tělesa, která se vkládají do přesně určených míst dutiny slévárenské formy. Kam nemá zatéci tavenina kovu. Jádra slouží tedy k výrobě dutin nebo děr ve vyrobeném odlitku. Jádra se dělí do dvou skupin, a to na jádra pravá a nepravá.

Pravé jádro je ze všech stran obklopeno taveninou. Samozřejmě musí být uloženo ve formě, aby nedošlo k posunu z požadované polohy a tím nevznikl špatný odlitek.

Nepravé jádro je obklopeno taveninou pouze zčásti. Nepravými jádry jsou části forem, které vytváří celkovou formu. Nepravých jader se využívá při výrobě velmi složitých odlitků.

2.2 Charakteristika formovacích a jádrových směsí

Formovací směsi slouží pro výrobu slévárenských pískových forem. Tyto formovací směsi s pojivovým systémem 1. generace jsou tvořeny základními složkami a těmi jsou ostřivo, pojivo a voda. U formovacích směsí s pojivovým systémem 2. generace se ještě přidává voda, její množství už záleží na konkrétním způsobu formování. Formovací směsi musí také splňovat určité mechanické a chemické vlastnosti, jakými jsou například pevnost za syrova, spěchovatelnost, formovatelnost, plynatost a dilatační změny. Nejlepší formovací směsi by měly být co nejlevnější, nejdostupnější, s možností co nejlepší formovatelnosti a s dobrou rozpadavostí po teplotní degradaci pojiva.

Na obrázku 2 - 1 jsou zobrazeny jednotlivé složky formovacích směsí.

Obr. 2 - 1 Složky formovacích směsí

Pískové formovací směsi se dělí též podle použití:

Modelová formovací směs - je sypána na model. Při odlévání je v přímém kontaktu s odlévaným kovem, proto musí být velmi kvalitní z hlediska čistoty.

Používá se na tuto potřebu jenom jednou v koloběhu pískového hospodářství, její další použití je spjato s funkcí výplňové formovací směsi.

Výplňová formovací směs - slouží pro vyplnění zbytku objemu formovacího rámu. Tento druh formovací směsi nemusí být tolik kvalitní. Jako výplňová formovací směs se používá vratná formovací směs nebo již použitá jádra.

Jednotné formovací směsi - jsou určeny pro strojní a bezrámový způsob výroby pískových formovacích směsí s křemenným ostřivem. Tyto formovací směsi jsou v přímém kontaktu s taveninou odlévaného kovu. Zároveň jsou používány pro výplň zbytku objemu formovacího rámu. Nejčastěji se tedy jedná o bentonitové formovací směsi.

Jádrové formovací směsi - se používají pro výrobu jader. Jsou to velmi kvalitní formovací směsi, a to ještě kvalitnější než modelové formovací směsi.

Jádra se používají např. pro předlití dutin odlitku. Tato jádra jsou velmi často ze všech stran ve styku s taveninou, tudíž jsou tepelně velmi namáhána a musí odolávat pronikání taveniny mezi jejich zrna. Po odlití by měla vykazovat rozměrovou stabilitu, nízkou plynatost a dobrou rozpadavost.

2.2.1 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 podstaty oxidu. Naše republika je světovou velmocí v nalezištích písků vhodných pro slévárenství. Jedním nalezištěm je Sklopísek Střeleč v Českém ráji. Křemenný písek z tohoto naleziště jsem použil pro experimentální část své diplomové práce.

Ostřiva kyselého charakteru - nejvýznamnějším představitelem ostřiv slévárenských písků kyselého charakteru je křemen. Oxid křemičitý (SiO2) je základní surovinou slévárenských formovacích směsí, protože jeho teplota tavení je až 1700 °C což vyhovuje většině slévárenských slitin. Oxid křemičitý se nachází ve vhodné zrnitosti a jeho naleziště jsou nejrozšířenější.

Vedle příznivých vlastností má SiO2 i negativní vlastnosti. Při ohřevu

prodělává polymorfní přeměny, které se projevují objemovými změnami a poruchami celistvosti formy. Tyto reakce jsou pak příčinou snížené

žáruvzdornosti. Vznikají nízkotavitelné sloučeniny typu 2FeO . SiO2 , MnO . SiO2 a jiné. Křemenný prach vyvolává silikózu [1].

Poznámka: Silikóza je vážné plicní onemocnění formířů a slévačů, kteří pracují s křemenným ostřivem, především s křemenným prachem. Jde o zaprášení plic

částicemi 0,0003 až 0,0005 mm. Tyto částice nelze z plic odstranit, jedná se tedy o chorobu z povolání.

Oxid křemičitý může existovat v několika krystalických a jedné amorfní modifikaci. Bezvodý SiO2 známe v těchto modifikacích: křemen α a β, cristobalit α a β, tridymit α, β a γ, křemenné sklo. Základním a nejrozšířenějším typem křemene v přírodě je β - křemen. Má podobu křemenných písků, křemenců, různých druhů křišťálu, je součástí vyvřelých hornin, pískovců, příměsí v jílech a kaolínech. Tento β - křemen, který je stálý při normálních teplotách, se přeměňuje při 573 °C v α - křemen. Tato modifikace SiO2 je stálá v oblasti teplot 573 °C až 870 °C. P ři 870 °C se α - křemen pomalu a jen za přítomnosti silného taviva - mineralizátoru - (například wolframu sodného Na2WoO4 . 2 H2O) a při 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.

Rychlým zahřátím nad 1670 °C lze α - tridymit přeměnit v křemenné sklo. γ - tridymit může existovat při normální teplotě především jako součást dinasových cihel.

α - cristobalit, vzniklý z α - tridymitu při teplotách nad 1470 °C, zůstává stálým do 1713 °C, kdy se mění v křemenné sklo. Ochlazením α - cristobalitu v metastabilním stavu pod 180 - 270 °C vzniká β - cristobalit. Tato modifikace může existovat za obyčejných podmínek v nerovnovážném stavu prakticky neomezeně dlouho. Uměle vyráběný β - cristobalit se vyskytuje v dinasových cihlách a někdy i ve vratných píscích v ocelárnách, které byly podrobeny 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 modifikační přeměny je v rozmezí 1025 °C až 1100 °C a je doprovázena nárůstem objemu o 15,7 objemových %.

V nerovnovážných podmínkách slévárenské formy je přeměna α - křemene v α - cristobalit ovlivněna přítomností minerálů, tzn. katalyzována přítomností kationů (Na⁺ z vodního skla, K⁺ z resolů). Tyto kationy cristobalitickou přeměnu urychlují. Některé oxidy jako např. Al2O3 naopak 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]

→ 1025 °C α-křemen

→ 870 °C

α-tridymit → 1470 °C

α-cristobalit

→ 1710 °C

tavenina SiO2

↑↑↑↑↓↓↓↓ 573 °C ↑↑↑↑↓↓↓↓

163 °C

↑↑↑↑↓↓↓↓ 180 °C až 270 °C

↑↑↑↑↓↓↓↓

β-křemen β-tridymit β-cristobalit křemenné sklo

↑↑↑↑↓↓↓↓

117 °C γ-tridymit

Obr. 2 - 2 Objemové změny při polymorfních přeměnách SiO2 [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 soustavy SiO - Al2O3 vzrůstá rovněž teplo - probíhá tavení směsi. Při obsahu 62,9% Al2O3 vzniká silimanit (Al2O3 . SiO2) - bezvodý křemičitan hlinitý, který přechází v mullit s teoretickým obsahem 71,8% Al2O3. Převaha Al2O3 se projevuje i ve vzorci mullitu (3 Al2O3 . SiO2).

Silimanit - se dováží z Indie, nebo se vyrábí uměle. Umělý silimanit vzniká pálením plaveného kaolínu, ke kterému se přidává umělý Al2O3. Rozpadem silimanitu se vazba však více obohacuje oxidem hlinitým tak, jak to vyhovuje vzájemnému poměru obou oxidů. Do směsi se přidávají mineralizátory, které umožňují vznik krystalů mullitu již při nižších teplotách (1450 °C).

Silimanitové a především mullitové ostřivo se vyznačuje vysokou žáruvzdorností, znamenitou odolností proti náhlým změnám teploty a velkou chemickou stálostí. Jejich použití je především ve formovacích směsích pro metody vytavitelného modelu [1].

Ostřiva speciální

Kovové ostřivo - patří do skupiny speciálních ostřiv. Výhodami formovacích 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].

2.2.2 Pojiva pískových formovacích směsí

Součástí formovací směsi kromě ostřiva je také pojivo. Pojivo má za úkol obalit jednotlivá zrna ostřiva a vytvořit tak soudržný systém mezi ostřivem.

Pojivo dává formovací směsi vlastnosti, jako je vaznost za syrova, pevnost po vysušení a vytvrzení, pevnost za vysokých teplot i zbytková pevnost směsi (rozpadavost po odlití). Pojiva se dělí podle způsobu pojení:

Rozdělení pojiv do několika generací

Pojiva I. generace - ostřivo + jílové pojivo → mechanický způsob pojení (pěchování, střásání, lisování a další způsoby)

Pojiva II. generace - ostřivo + pojivo chemického charakteru → chemický způsob pojení (důsledek chemické reakce)

Pojiva III. generace - běžné ostřivo + voda nebo ostřivo kovové (magnetický materiál) - bez pojiva nebo pouze ostřivo → pevnost forem se získává pouze fyzikálním způsobem

Pojiva IV. generace (do budoucna) - ostřivo + pojivo, které by mělo být na bázi živých organismů→ pevnost formy na základě biologického účinku.

Pojiva ve formovacích směsích vytvářejí vazbu mezi jednotlivými zrny pískového systému. Tato vazba může působit již v syrovém stavu po rozmíchání pojiva s ostřivem nebo teprve po fyzikálním či chemickém zásahu z vnějšího prostředí. Vazba pojiva s ostřivem je určována velikostí adhezních sil mezi jejich povrchy a velikostí sil kohezních, určených vnitřní pevností daného typu pojiva. Charakter těchto sil je dán stavem povrchu a granulometrickou skladbou ostřiva a fyzikálněchemickými vlastnostmi různých druhů pojiv [1].

Pojiva I. generace

Mezi pojiva I. generace patří především jíly. Pojící schopnost jílů je dána výsledkem sil kapilárního tlaku a Van der Waalsových sil. Částice ostřiva a pojiva jsou ovlivněny silami adhezními a mezi částicemi pojiva jsou síly kohezní. Jílová pojiva jsou nejčastěji součástí přírodních směsí.

Mezi jílová pojiva patří

Kaolinitický jíl - Al2O3 . 2SiO3 . 2H2O (kaolinit). Toto pojivo se šamotovým lupkem je především určeno jako formovací nebo jádrová směs pro ocelové odlitky. Tato směs je využívána pro sušení při teplotách 650 °C. Tento jíl má ze všech jílů nejlepší žáruvzdornost, ale nejmenší bobtnavost.

Illitický jíl - bývá součástí přírodních písků. Nejdůležitějším minerálem této skupiny je glaukonit (zelené barvy). Toto pojivo se nejvíce používá pro odlévání těžkých litinových odlitků. Má dobrou žáruvzdornost i dobrou bobtnavost.

Montmorillonitický jíl - Al2O3 . 4SiO3 . 2H2O . nH2O. Toto pojivo se nazývá bentonitové, ale musí obsahovat více jak 75 až 80% tohoto jílu. Bentonitové

směsi mají výbornou pojivovou schopnost (2,5krát vyšší než u kaolinitů) a umožňují přípravu formovací směsi s minimálním obsahem pojiva, a to 6 - 8%

obsah vody je také malý, a to pod 5%. Tato pojiva se používají pro strojní formování na automatických formovacích linkách [2].

Pojiva II. generace

Nejběžnější rozdělení slévárenských pojiv II. generace je podle jejich původu.

Pojiva se dle chemického původu dělí na:

1) anorganická pojiva;

2) organická pojiva.

Anorganická pojiva - jsou minerálního původu a udělují formovací směsi vaznost již v syrovém stavu, nebo vytvrzují po chemickém nebo fyzikálním zpevnění. Patří mezi ně především jíly, cement, sádra, vodní sklo, organické estery kyseliny křemičité a jiné. Tato pojiva mají některé společné vlastnosti: jsou vhodná pro lití za syrova, nejsou citlivá na teplotu sušení, vyvíjejí málo plynů při lití, po odlití mají však zhoršenou rozpadavost, po rozpadu formovací směsi teplem tekutého kovu nevyhořívají [1].

Organická pojiva - tvoří velkou oblast formovacích materiálů. Patří mezi ně především umělé pryskyřice, oleje, sacharidy, bitumeny a jiné odpadní organické produkty. Charakteristickými vlastnostmi těchto pojiv jsou vysoká tekutost za syrova, možnost řízeného tepelného nebo chemického ztužení, dost značný vývin plynů při lití, tepelná destrukce a vyhořívání při lití, dobrá rozpadavost po odlití a tím i snadné čištění odlitků. Značná zdravotní závadnost všech organických pojiv vyžaduje dodržování bezpečnostních předpisů při práci s nimi [1].

Názvosloví pojiv je nerozlučně spjato s jejich klasifikací a členěním.

Nejvhodnější způsob členění pojiv je zřejmě podle jejich chemické podstaty.

Podle počtu složek pak můžeme dělit pojiva podle FOŠUMA jak uvádí RUSÍN [1] na:

1) jednosložková - například vodní sklo u procesu CO2 i směsí CT;

2) dvousložková - například fenolické resol + polyisokyanát ;

3) vícesložková - například alkydová pryskyřice + lněný olej + polyisokyanát.

Pojiva je možno rozdělovat podobně jako formovací směsi na základě typu, a to na syrovo, na sušení, samotvrdnoucí, ztvrzovaná zvenčí.

Poslední skupinu pak lze dále členit na pojiva a směsi ztvrzované:

1) tepelně například postup HB (horké jaderníky), skořepinové formování, vytvrzování tepelným nárazem, horkým vzduchem a podobně;

2) chemicky - například postup CO2, postup CB Ashland, postup SO2;

3) fyzikálně - profukování studeným vzduchem, vytvrzování ultrakrátkými vlnami, zmrazování [1].

2.2.2.1 Požadavky kladené na pryskyřičná pojiva

Na pryskyřičná pojiva do formovacích a jádrových směsí jsou kladeny následující požadavky:

1) dostatečně velká tekutost směsí, směs musí zaručit dokonalé vyplnění dutin složitých jaderníků při vstřelování jader nebo obtékání hran modelů při lisování forem;

2) vysoká rychlost vytvrzování (polymerace);

3) absolutní tuhost jader při vyjímání jader z horkého jaderníku, při konečných teplotách nesmí docházet k plastickým stavům;

4) slabá reaktivnost pojiva ve styku s roztaveným kovem;

5) nízká plynatost pojiva;

6) minimální navlhavost vyrobených jader;

7) dobrá rozpadavost jader po odlití bez vzniku vnitřního pnutí v odlitcích;

8) zdravotní nezávadnost;

9) větší ekonomická výhodnost pojiv na rozdíl od pojiv, kterých se používá pro výrobu forem nebo jader běžným způsobem.

V současné době je ještě nemožné splnit všechny tyto požadavky.

Dokonalým ověřením všech technologických vlastností směsí je však možné vhodnou kombinací dvou nebo více pryskyřic plnit shora uvedené požadavky a dosáhnout u pojiva optimálních vlastností.

Technologické vlastnosti pryskyřičných směsí závisí na druhu pryskyřice a účelu použití směsi. Tekuté pryskyřice tvrditelné teplem nebo tuhnoucí účinkem katalyzátorů za studena mají různou viskozitu, která ovlivňuje vaznost

směsi za syrova. Nejviskoznější jsou směsi fenolformaldehydové, následují močovino-formaldehydové a furanové. Je-li vaznost směsi malá, upravuje se přísadami sacharidů, případně malého množství bentonitu.

Tekutost těchto směsí je poněkud menší než u směsí olejových, přesto nečiní potíží i při výrobě složitějších jader. Vytvrzování pryskyřičných pojiv, ať za studena či za tepla, probíhá mnohem rychleji než u dříve používaných olejů. Pevnost v ohybu po vytvrzení směsi za studena závisí na mnoha činitelích, z nichž mezi hlavní řadíme typ použitého ostřiva, pryskyřice, katalyzátoru a způsobu přípravy.

Plynatost je závislá na typu pryskyřice, rozpadavost probíhá ve většině případů rychleji než u jader pojených olejovými pojivy. Specifické vlastnosti má pryskyřičná směs obalovaná. Je dokonale sypká a tekutá a splňuje předpoklady výroby přesných skořepinových forem.

Všechna pojiva na podkladě umělých pryskyřic mají toxické účinky na lidský organismus. Volný fenol, formaldehyd nebo furan, vyvinuté během přípravy a vytvrzování směsí, fyziologicky působí na centrální nervovou soustavu člověka, nebo jsou příčinou akutních kožních zánětů. Při odlévání forem navíc vzniká u některých těchto pojiv karcenogenní uhlovodík benzyprén 3,4. Při práci s pryskyřičnými pojivy musí být dodržována maximální přípustná koncentrace škodlivin v ovzduší a pracoviště musí být dokonale větráno [1].

Syntetické pryskyřice a jejich vlastnosti

Použitelnost přirozených pryskyřic v pískových směsích je nehospodárná.

V současné době již existuje velký počet umělých pryskyřic průmyslově vyráběných s vhodnými vlastnostmi slévárenských pojiv.

Jako slévárenská pojiva jsou nejvhodnější pryskyřice vyráběné polykondenzací, a to především:

1) pryskyřice fenolformaldehydové;

2) pryskyřice močovinoformaldehydové;

3) pryskyřice furanové;

4) pryskyřice fenolresolové;

5) pryskyřice kombinované.

Při vytvrzování slévárenských syntetických pryskyřic dochází k polykondenzaci. Při polykondenzaci vznikají makromolekuly postupně jako meziprodukty. Během reakce neustále vzrůstá molekulová hodnota jednotlivých makromolekul na úkor molekul malých.

Je dokázáno, že při polykondenzaci není možno dosáhnout tak vysokého polymeračního stupně jako při polymeraci. Abychom dosáhli co nejvyššího polymeračního stupně, je nutné, aby obě monomerní složky byly během celého průběhu reakce ve stejném poměru.

Dosažení vysokého polymeračního stupně závisí na tom, do jaké míry se

podaří odstranit ze směsi nízkomolekulární zplodiny reakce. Teoretické i experimentální výsledky ukazují, že přítomnost vody zabraňuje vzniku

produktu s vysokým polymeračním stupněm. Kromě toho dochází za přítomnosti vody k odbourávání polykondenzačního produktu, a to do ustanovení polymeračního stupně daného polykondenzační rovnováhou. Při těchto procesech má velký význam teplota reagující směsi, která určuje jak rychlost vytvrzování, tak snížení zplodin reakce (vody) a tím i dosažení vyššího polymeračního stupně [1].

Novanol - je fenol-resolové pryskyřičné pojivo, tedy chemická látka.

Modifikovaný fenol-resol je při vysoké hodnotě pH neaktivní.

Po smíchání vodního roztoku pojiva s ostřivem se vytvrzuje pomocí CO2, tak proběhne první stupeň vytvrzení, tedy pouze manipulační pevnost.

Další nárůst pevnosti probíhá při reakci zbytkového CO2 v jádře s pojivem.

Konečné pevnosti jader docílíme ohřátím CO2 nebo mikrovlně, kdy stoupnou pevnosti, především na povrchu, až dvojnásobně.

Přidání vodního skla do směsi prudce zvýší reaktivitu resolového systému. Pevnosti zhotovených forem a jader pak jsou nízké. Systémy je nutno oddělit. Vodní sklo je tedy výborná přísada do směsi, která způsobuje rozpadavost fenol-resolových pojivových systémů.

Pojiva III. generace

Pojivový systém je založen na fyzikálním účinku pojení s ostřivem. Využívá se magnetické pole, zmrazování, vakuum. Při využití magnetického pole se

používá ostřivo kovové, v ostatních případech se používá běžné křemenné ostřivo.

2.3 P ř ehled formovacích a jádrových sm ě sí

Na obrázku 2 - 4 je znázorněn vývoj pojivových systémů [11].

Obr. 2 - 4 Přehled vývoje pojiv formovacích směsí podle JELÍNKA

Na obrázku 2 - 5 jsou zobrazeny různé generace pojivových systémů. Jedná se tedy o používaná pojiva a metodu výroby slévárenských forem [11].

Obr. 2 - 5 Schéma rozdělení pojivových systémů formovacích směsí

2.4 Technologické vlastnosti formovacích a jádrových sm ě sí

Formovací a jádrové směsi používané pro výrobu kvalitních výrobků, respektive odlitků, musí vykazovat určité vlastnosti. Tyto technologické vlastnosti se dají rozdělit do třech základních skupin:

1) vlastnosti směsí za syrova - tyto vlastnosti ovlivňují celkový postup výroby forem;

2) vlastnosti směsí po vysušení nebo chemickém zpevnění (vytvrzení);

3) vlastnosti směsí během působení vysokých teplot taveniny - ty nejvíce ovlivňují konečné vlastnosti odlitku.

2.4.1 Vlastnosti směsí za syrova

Vaznost - neboli pevnost za syrova - je schopnost ještě nevysušené spěchované formovací směsi odolávat namáhání vnějšími silami. Mírou vaznosti je pevnost v tlaku nebo pevnost ve střihu. Zkušebním tělískem pro obě zkoušky je váleček o ∅ 50 x 50±1 mm. Tyto válečky se vyrábějí ze zhutněného písku třemi údery tzv. beranidla (beranidlo - speciální zařízení pro hutnění vzorků, užívané pro tyto zkoušky). Pro výrobu válečků je již zhotovena forma kruhového průřezu. Směs před nasypáním formy se musí vážit a následně vsypávat ve stejném množství, aby docházelo k výrobě správných rozměrů zkušebního tělíska. Není-li vaznost formovací směsi v pořádku, vyrobí se odlitky, které mají vady tvaru a rozměru.

Prodyšnost - technologická vlastnost, která povoluje spěchované formovací směsi propouštět plyny a páry. Tato zkouška se opět provádí na stejných zkušebních tělískách jako zkouška vaznosti, a to na stejně vyrobeném zkušebním válečku o rozměrech ∅ 50 x 50 mm. Pro zkoušení se používá speciální přístroj, kterým se stanoví jednotky prodyšnosti SI, to je počet kubických centimetrů vzduchu, který se protlačí objemem 1 cm³ při přetlaku vzduchu 100 Pa za jednu minutu. Je-li prodyšnost malá, vznikají vady na odlitku, jako jsou bubliny, odvařeniny.

Tvrdost - je odolnost při pronikání cizího tělesa do tělesa zkoušeného. Tvrdost se měří podobně jako u kovů, kdy se používají speciální hodinkové tvrdoměry a zkušební těleso vyrobené z formovací směsi. U formovacích směsí existuje souvislost mezi vazností a tvrdostí. Čím směs vykazuje menší hodnotu vaznosti, tím má také menší i tvrdost.

Tekutost - je schopnost formovací směsi pohybovat se do stran při hutnění ve směru kolmém na směr pěchující síly.

Formovatelnost - je schopnost formovací směsi přijmout tvar podle určitého slévárenského modelu a tento tvar si zachovat do odlití taveniny.

Vlhkost - je ukazatelem volné vody ve formovací směsi. Tato volná voda se dá odstranit pouze sušením při teplotě 100 °C. Optimální podíl volné vody ve formovací směsi bývá kolem 3%. Tato vlhkost se stanovuje z navážky zkoušené formovací směsi o hmotnosti 50 g nebo 100 g, směs se suší ve speciální sušičce při teplotě kolem 105 °C po dobu 15 minut. Úplné vysušení směsi se pozná podle konstantní hmotnosti vysušené směsi. Přílišné zvlhčení formovací směsi způsobuje vady odlitků, jako jsou například odvařeniny, zálupy.

Drobivost - je vlastnost, která způsobuje oddělování zrníček ostřiva od již

zaformovaného celku směsi. Tato vlastnost se především projevuje u bentonitových formovacích směsí, které obsahují malý podíl volné vody (malá

vlhkost).

2.4.2 Vlastnosti směsí po vysušení nebo chemickém zpevnění (vytvrzení)

Pevnost - je schopnost vykazovat odpor vnějším silám a to až po zhutnění a následném vysušení. Míra pevnosti se určuje jako u směsí za syrova.

Zvětšení velikosti pevnosti je možné docílit vysušením směsi. Bentonitové směsi vykazují po vysušení pevnost až desetkrát větší než pevnost za syrova.

U směsí s pryskyřičnými pojivy tato pevnost bývá až stonásobně vyšší, než je pevnost směsí za syrova.

Otěruvzdornost - je odolnost proti oděru, a to zejména odírání vysušených zrn zpevněné formovací směsi. Tato zkouška se provádí pomocí fréz nebo brusných kotoučů vnikajících do vyrobených jader.

Navlhavost - je schopnost formovacích směsí po vysušení do sebe absorbovat vlhkost z okolního prostředí. Velké vlhkosti se předchází tak, že hned po vyrobení a vysušení forem a jader se odlévá. Velká vlhkost způsobuje vady odlitků, které se nazývají odvařeniny, zálupy.

2.4.3 Vlastnosti směsí během působení vysokých teplot taveniny

Pevnost - je technologická vlastnost, kterou musí při odlévání slévárenská forma mít, aby nedocházelo k jejímu zborcení, způsobenému dynamickým a následně metalostatickým tlakem. Současně však musí být forma při tuhnutí

dostatečně poddajná, aby mohlo docházet k plynulému smrštění odlitku a nevznikalo jeho vnitřní pnutí způsobující vznik vnitřních trhlin.

Rozpadavost - je schopnost formy se po odlití a chladnutí odlitku rozpadnout.

Tato vlastnost je především důležitá u jader. Jádra a jejich zbytky se musí dostat ven ze zhotovených otvorů odlitku. Pokud by jádra a jejich částečně rozpadlé zbytky zůstaly v odlitcích, docházelo by k reklamacím odlitků a jejich vyřazení. Dobrou rozpadavost vykazují bentonitové směsi a také pryskyřičné směsi. Pojiva pryskyřičných směsí důsledkem vysoké teploty cca 800 °C projdou degradací a směsi se rozpadnou. Degradace je porušení pojivového systému směsi. Pojivo může například vyhořet.

Plynatost - je schopnost formovacích směsí při změně teploty uvolňovat plyny a páry. Po nalití taveniny do slévárenské formy, protože dochází k jejímu prudkému ohřevu a k následnému uvolňování plynů a par. U některých pryskyřic může dokonce dojít až k rozpadu některých složek směsi a tudíž ke zvýšení plynotvornosti. Pryskyřičná pojiva mají oproti jílovým pojivům větší sklon ke tvorbě plynů a par.

Chemická odolnost - v důsledku přítomnosti chemických složek ve formovacích a jádrových směsích mohou vznikat na povrchu vzniklého odlitku nečistoty. Chemická reakce probíhá mezi kyselými a zásaditými oxidy formovacích směsí (SiO2) a zásaditými oxidy taveniny (MnO). Tímto procesem mohou vznikat snadno tavitelné látky, které způsobují připečeniny formovací směsi na povrchu odlitku. Jedná se pak o neodstranitelné vady odlitků.

Žáruvzdornost - je vlastnost formovacích a jádrových směsí odolávat vysokým teplotám. Tyto vysoké teploty se do formy dostávají prostřednictvím stykových ploch mezi roztavenou taveninou a lícem slévárenské formy. Žáruvzdornost je

závislá na chemickém složení směsi, resp. ostřiva formovací směsi, a schopnosti slinování této složky.

Tepelná roztažnost - spěchovaná formovací směs, která se ohřeje v důsledku nalití taveniny kovu do formy, se roztáhne především na líci formy a může dojít k tzv. vyboulení líce formy. Tím by vznikaly neshodné odlitky. Změnou rozměrů formy trpí především formy s křemenným ostřivem na bázi SiO2. Křemen prodělává při teplotě 573 °C přeměnu β - α, kdy se zvětšuje jeho objem až o 1,3%. Křemen prochází také cristobalitickou expanzí, která probíhá při teplotě 1025 °C. Při této přeměně se zvětšuje objem až o 17%. Eliminace těchto přeměn je částečně možná pozvolným ohřevem. Při tepelné roztažnosti mohou vznikat vady, které se nazývají zálupy.

2.5 Tepelná roztažnost pevných látek

Formovací a jádrové směsi v kompaktním stavu představují pevné látky, u kterých lze sledovat tepelnou resp. teplotní roztažnost.

Pevné látky - nejsou kapalnými ani plynnými. Většina těchto látek je složena z částic s pravidelným uspořádáním. Jejich vnitřní stavba vytváří určitou strukturu, která se nazývá krystalová struktura. Mezi pevné látky patří také polymery, které jsou buď biologického původu, nebo jsou vyrobeny uměle.

Některé látky však nemají takovéto pravidelné uspořádání částic, nazývají se amorfní. Patří mezi ně například asfalt, sklo, některé pryskyřice.

Mezi částicemi libovolné látky současně působí přitažlivé a odpudivé síly.

Tím je dána soudržnost kapalných a pevných látek. Síly mezi částicemi nelze bezprostředně měřit, proto se při zkoumání vzájemného působení částic používají různé teoretické úvahy a složité výpočty. Nejjednodušší je vzájemná reakce mezi dvěma částicemi, jejichž kladně nabitá jádra jsou obklopena záporně nabitými elektrony. Při vzájemném přibližování obou částic působí mezi sebou elektronové obaly a kladně nabitá jádra obou částic. Výsledkem této vzájemné reakce je vznik přitažlivé a odpudivé elektrické síly. Při dostatečně malých vzdálenostech je tato síla odpudivá, při větších vzdálenostech je tato síla přitažlivá. Při určité vzdálenosti mezi částicemi je síla, kterou na sebe částice vzájemně působí, nulová. Obě částice jsou navzájem v rovnovážné poloze.

Střední vzdálenost mezi částicemi pevné látky je asi 0,2 nm až 0,3 nm.

Vzájemné působení přitažlivých sil mezi částicemi způsobuje, že pevná látka - na rozdíl od plynných látek - vytváří těleso určitého tvaru a objemu. Nepůsobí-li na těleso vnější síly a nemění-li se teplota tělesa, zůstává tvar i objem pevného tělesa zachován stejný.

Částice pevných látek vykonávají kolem svých rovnovážných poloh kmitavé pohyby. Tyto pohyby jsou neuspořádané. Částice mohou kmitat všemi možnými směry a výchylky z rovnovážných poloh jsou různě veliké. Tyto výchylky, z rovnovážných poloh částic, se zvětšují s rostoucí teplotou. Největší výchylky (amplitudy) je možné dosáhnout těsně před teplotou tání daného materiálu. Jsou rovny asi 1/6 vzájemné vzdálenosti částic. Celková potenciální energie soustavy částic pevného tělesa je větší než celková kinetická energie těchto částic konajících kmitavý pohyb v pevném tělese [13].

Tepelné vlastnosti

Příčinou tepelných vlastností jsou tepelné kmity atomů. Při absolutní nule jsou atomy v rovnovážné vzdálenosti a mřížka má při absolutní nule určitou rovnovážnou vnitřní energii U⁰elast, která odpovídá pružným napětím.

Se vzrůstající teplotou se atomy stále více rozkmitávají, přičemž se při konstantním tlaku od sebe vzdalují uzlové body mřížky, což se projevuje teplotní roztažností. Na kmitání atomů je zapotřebí energie, kterou mřížka odebírá z teplejšího okolí. Měřitelnou mírou této energie je měrné teplo, jež nazýváme také tepelnou kapacitou. Jestliže se z energetických důvodů změní při určité teplotě uspořádání mřížky, projevuje se to fázovým teplem, jestliže dojde při ještě vyšší teplotě ke změně skupenství tuhého v kapalné, projevuje se to skupenským teplem tání. O toto teplo se zvětšuje vnitřní energie soustavy.

Teplotní roztažnost

Objemové změny tělesa způsobené zvýšením teploty při konstantním tlaku se vyjadřují pravou objemovou roztažností, kterou lze vypočítat podle vztahu:

dP P

dV

V 



 



= 1

β , (2.1)

kde značí: β - objemovou roztažnost;

V - objem látky;

dV - diferenciál objemu;

dP - diferenciál tlaku;

P - konstantní tlak.

Výhodnější je zavést pravou délkovou roztažnost, která se pokusně snadněji zjišťuje.

dT P

dl

l 



 



=1

α , (2.2)

kde značí: α - délkovou roztažnost;

l - délku tělesa;

dl - diferenciál délky;

dT - diferenciál teploty;

P - konstantní tlak.

U isotropních materiálů platí:

α

β =^3. , (2.3)

kde značí: β - objemovou roztažnost;

α - délkovou roztažnost.

Na obr. 2 - 6 je znázorněn průběh teplotní roztažnosti v závislosti na teplotě pro různé materiály [14].

Obr. 2 - 6 Závislost teplotní roztažnost na teplotě vybraných pevných látek

V tabulce 2 - 2 jsou uvedeny teplotní roztažnosti různých chemických prvků a některých chemických sloučenin, dle Ražnjeviče [4] a Černocha [5].

Tab. 2 - 2 Přehled lineárních teplotních součinitelů vybraných druhů látek

Prvek nebo sloučenina

Hodnota součinitele lineární teplotní roztažnosti [K^-1]

Platnost pro teplotu

[°C]

Poznámka

Křemík Si 2,4.10^-6 20 RAŽNJEVIČ [4]

Hliník Al 23,7.10^-6 20 RAŽNJEVIČ [4]

Železo Fe 12,3.10^-6 20 RAŽNJEVIČ [4]

Zinek Zn 29.10^-6 20 RAŽNJEVIČ [4]

Křemen k ose kryst. _║ 8.10^-6 0 - 100 ČERNOCH [5]

Křemen k ose kryst. _┴ 14,4.10^-6 0 - 100 ČERNOCH [5]

2.6 Dilatometrie pevných látek

Měřením roztažnosti pevných látek se zabývá dilatometrie a zařízení, které se používá pro měření délkových změn, se nazývá dilatometr.

Dilatometrie je založena na sledování rozměrových změn (dilatace),

které souvisí u krystalických látek se změnou krystalické mřížky.

U disperzních soustav, resp. kapilárně pórovitých látek (tj. např. formovací směs), jsou dilatační změny ovlivněny:

a) teplotní roztažností ostřiva;

b) teplotní roztažností, popř. smrštivostí, pojiva;

c) fázovými přeměnami složek jádrové nebo formovací směsi;

d) rozkladem, spalováním a destilací složek směsi.

Dilatometrickým měřením se získává průběh závislosti rozměrových změn zkoumaného vzorku v závislosti na teplotě ohřevu (křivka prodloužení - čas). Podle způsobu měření dilatace lze používané metody zařadit do dvou skupin:

A) absolutní metoda měření dilatace;

B) relativní metoda měření dilatace.

Absolutní metoda měření dilatace - je založena na měření přímého roztažení (popř. smrštění) vzorku v závislosti na teplotě. Tato metoda je velmi přesná, ale časově náročná. Používá se především pro cejchování měřicích zařízení.

Relativní metoda měření dilatace - není založena na přímém měření prodloužení (popř. zkrácení) zkušebního tělesa, ale zkušební těleso se porovnává s prodloužením etalonu známé dilatace, která byla zjištěna metodou absolutní.

Jak je výše uvedeno pro dilatometrická měření slouží dilatometry, které umožňují obvykle ohřev a ochlazení zkoumaného vzorku určitou rychlostí a bývají vybaveny registračním zařízením sledované křivky prodloužení - teplota. Dilatometry jsou různé konstrukce, podle zkoumaného vzorku.

Základní částí dilatometru bývá elektrická pícka speciální konstrukce, do které se vkládá speciálně upravené těleso nejčastěji zhotovené z křemenného skla.

Na toto těleso se ukládá zkušební vzorek předem stanovených rozměrů. Těleso z křemenného skla bývá nejčastěji propojeno se snímačem délkové změny (např. indukčním snímačem) [6].

2.6.1 Charakteristika dilatometr ů pro m ěř ení dilata č ních zm ě n formovacích sm ě sí vyvinutých na TU v Liberci

Na katedře strojírenské technologie byla vyvinuta dvě zařízení pro měření dilatace - speciální dilatometry. Bloková schémata těchto zařízení jsou na obrázcích 2 - 7 a 2 - 10. Tato zařízení se lišila především svou konstrukcí.

Měření různých velikostí a tvarů vzorků způsobilo odlišnost typů ohřívacích pecí u vyvinutých zařízení. Ohřev vzorku byl realizován nepřímým sálavým teplem z pece. Pro různé typy vzorků se tedy používaly různé typy pecí, jednou z nich byla dělená komorová pec speciální konstrukce, která je zobrazena na obrázcích 2 - 8 a 2 - 9. Druhou pecí byla trubková pec křemenného dilatometru, jak je zobrazeno na obrázcích 2 - 11, 2 - 12 a 2 - 13. V obou případech se jedná o elektrické odporové pece s maximální provozní teplotou 1100 °C. Součástí pecí byl regulátor, který řídil výši ohřevu a rychlost ohřevu. Toto zajišťoval

regulační transformátor. Teplota v peci a v okolí vzorku byla snímána termočlánky NiCr - Ni a zároveň byla zaznamenávána zapisovačem.

Snímání teplotních dilatací bylo zajišťováno v obou případech indukčním vysílačem ZPA, typ. č. 99427, který ve spojení s převodníkem umožňuje registraci hodnot dilatace zapisovačem. Na základě registrované hodnoty dilatace byla získána křivka poměrné dilatace (εD = ∆l/l0) v závislosti na teplotě.

Důležitou součástí vyvinutých dilatometrů je konstrukční díl, který slouží nejen pro ustavení vzorku při jeho ohřevu v peci, ale především pro správné snímání teplotní roztažnosti (popř. smrštivosti) ohřívaného vzorku. K tomuto účelu byla použita speciálně tvarově upravená trubička z křemenného skla. Též rozměrové změny ohřívaného vzorku byly přenášeny dotykem tenké křemenné

trubičky. Použitím indukčního vysílače bylo dosaženo vysoké citlivosti a přesnosti snímaných údajů.

U první konstrukce dilatometru (s dělenou odporovou pecí) byly použity dva indukční vysílače zapojené tak, aby se jejich signály sčítaly. Jejich výsledný signál byl registrován zapisovačem.

1 - podlaha; 2 - deska stojanu; 3 - indukční vysílač; 4 - křemenné dotyky; 5 - dělená odporová pec; 6 - regulační transformátor; 7 - převodník; 8 - stabilizátor

napětí; 9 - kompenzační zapisovač bodový; 10 - termočlánek; 11 - alporitová cihla; 12 - saně; 13 - stojan; 14 - vzorek.

Obr. 2 - 7 Blokové schéma dilatometru s dělenou odporovou pecí zkonstruovaného v 80. letech na KSP TU v Liberci

Obr. 2 - 8 Dilatometr s dělenou odporovou pecí

Obr. 2 - 9 Pracoviště pro měření dilatace s dělenou odporovou pecí

1 - rám; 2 - vodící saně; 3 - elektrická odporová pec; 4 - indukční snímač (ZPA, typ č. 99427; 5 - křemenný dotyk (trubička); 6 - autotransformátor RAT 10;

7 - převodník pro připojení ukazovacích přístrojů a bodových zapisovačů na indukční vysílače; 8 - stabilizátor napětí BM 206; 9 - šestibodový zapisovač MK V I 6; 10 - termočlánek; 11 - křemenná trubička.

Obr. 2 - 10 Blokové schéma křemenného dilatometru zkonstruovaného v 80.

a 90. letech na KSP TU v Liberci

Obr. 2 - 11 Křemenný dilatometr

Obr. 2 - 12 Křemenná trubice s termočlánkem

Obr. 2 - 13 Pracoviště pro měření dilatace s křemenným dilatometrem, který byl používán v 80. a 90. letech na KSP

[10]

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE

Experimenty této diplomové práce byly zaměřeny na sledování dilatačních změn formovacích a jádrových směsí v závislosti na teplotě. Měření dilatačních změn bylo provedeno na měřicím zařízení, které bylo vyvinuto na pracovišti - Katedře strojírenské technologie - FS TU v Liberci, jak je již napsáno v úvodu práce. Prováděné experimenty přehledně zaznamenává tabulka 3 - 1. V experimentální části bylo zpracováno 75 vzorků, které se lišily zrnitostí použitého křemenného ostřiva.

3.1 Charakteristika měřicího zařízení

Měřicí zařízení vyvinuté již před více lety na naší katedře, postupně procházelo inovacemi vedoucími ke zdokonalení měření. Již dříve na tomto měřicím zařízení bylo prováděno několik experimentů, které se staly součástí nejen výzkumné činnosti, ale experimentálních částí diplomových prací. Jednou z nich je diplomová práce TIETLA [8] z roku 1981. Od tohoto roku prošlo zařízení několika renovacemi, které zdokonalily měření sledované dilatace.

Zařízení na sledování dilatačních změn vzorku směsi je složeno z indukčního snímače, který převádí změnu velikosti délky na elektrické napětí,

jež je zaznamenáváno pomocí softwarového vybavení do PC. Na obrázku 3 - 1 je znázorněno zařízení pro měření dilatačních změn.

1 - měřený vzorek; 2 - tyč z křemenného skla; 3 - elektrická odporová pec;

4 - termočlánek; 5 - indukční snímač; 6 - rám zařízení.

Obr. 3 - 1 Schéma zařízení pro měření dilatačních změn