Technická univerzita v Liberci Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie

Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie zamČĜení strojírenská metalurgie

Studijní program B2341 – strojírenství

Sledování plynotvornosti netrvalých forem

Monitoring of gassines perennial forms

Jakub Jareš KSP – SM – B33

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

Konzultant bakaláĜské práce : Ing. JiĜí Machuta, PhD.

Rozsah práce a pĜíloh:

Poþet stran: 45 Poþet obrázkĤ: 19 Poþet tabulek: 3 Poþet vzorcĤ: 23

27.5. 2011

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Obor strojírenská metalurgie

Studijní program: B2341 - strojírenství

Student: Jakub Jareš

Téma práce : Sledování plynotvornosti netrvalých forem Monitoring of gassines perennial forms

ýíslo BP: KSP – SM – B33

Vedoucí BP: Prof. Ing. Iva Nová, Csc. – TU v Liberci Konzultant: Ing. JiĜí Machuta, PhD.– TU v Liberci

Abstrakt:

Tato bakaláĜská práce se zabývá problematikou plynotvornosti netrvalých formovacích a jádrových smČsí. Plynotvornost je nežádoucí vlastností formovacích smČsí a je tĜeba jí patĜiþnými zpĤsoby pĜedcházet. Teoretická þást popisuje jednotlivé složky netrvalých formovacích smČsí, dále charakteristiku plynotvornosti a zpĤsoby jejího mČĜení.

V experimentální þásti bylo provedeno zkušební mČĜení na zaĜízení pro mČĜení plynotvornosti umístČném na KSP TU v Liberci. Cílem této práce bylo vytvoĜit ucelený pĜehled o vzniku a mČĜení plynotvornosti netrvalých pískových forem.

Abstract:

This thesis deals with an issue of interruptible molding and core mixtures gassiness. Gassiness is an undesirable property of molding compounds and therefore should be appropriately prevented. The theoretical part describes the various components of perennial core mixtures,

MístopĜísežnČ prohlašuji, že jsem bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ za použití pĜíslušné literatury

V Liberci dne 27. kvČtna 2011

………

Jakub Jareš ProletáĜská 460

463 12 Liberec 23

DČkuji vedoucí mé bakaláĜské práce prof. Ing. IvČ Nové, CSc za poskytnutí podkladĤ a cenných rad potĜebných pro vypracování. Dále konzultantovi Ing. JiĜímu Machutovi, PhD. za odborné, metodické vedení práce a veškerý þas, který mi vČnoval.

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakaláĜskou práci se plnČ vztahuje zákon þ. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vČdomí, že TUL má právo na uzavĜení licenþní smlouvy o užití mé BP a prohlašuji, že s o u h l a s í m s pĜípadným užitím mé bakaláĜské práce (prodej, zapĤjþení apod.).

Jsem si vČdom toho, že užít své bakaláĜské práce þi poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat pĜimČĜený pĜíspČvek na úhradu nákladĤ, vynaložených univerzitou na vytvoĜení díla (až do jejich skuteþné výše).

BakaláĜskou práci jsem vypracoval samostatnČ s použitím uvedené literatury a na základČ konzultací s vedoucím bakaláĜské práce a konzultantem.

Datum: 27.05. 2011

Podpis: ………

I have been notified of the fact that Copyright Act No. 121/2000 Coll. appelies to my thesis in full, in particular Section 60, School Work.

I am fully avare that the Technical University of Liberec is not interferony in my copyright by using my thesis for the intrnal purposes of TUL.

If I use my thesis or grant a licence for its use, I am aware of the fack that I must inform TUL of this fackt, in this case TUL has the right to seek that I pay the expenses invested in the creation of my thesis to the full amount.

I compiled the thesis on my own with the use ot the acknowledgeg sources and the basis of consultation with the head of the thesis and a consulant.

Date: 27.05. 2011

Signature: ………

OBSAH

ÚVOD ... 7

1. NETRVALÉ FORMOVACÍ SMċSI ... 8

1.1 OSTěIVA FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍ ... 8

1.1.1 KYSELÁ OSTěIVA ... 9

1.1.2 NEUTRÁLNÍ OSTěIVA ... 10

1.1.3 ZÁSADITÁ OSTěIVA ... 12

1.2 POJIVA FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍCH ... 13

1.2.1 POJIVA I. GENERACE ... 15

1.2.2 POJIVA II. GENERACE ... 17

1.2.3 POJIVA III GENERACE ... 24

1.3 PěÍSADY VE FORMOVACÍCH SMċSÍCH ... 25

1.4 VODA VE FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍCH ... 25

2. PLYNOTVORNOST FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍ ... 26

2.1 URýOVÁNÍ PLYNOTVORNOSTI FOREM A JADER ... 31

2.2 VZNIK A PRONIKÁNÍ PLYNģ A PAR DO TAVENINY ... 34

2.3 MċěENÍ PLYNģ A PAR VZNIKAJÍCÍCH PěI ODLÉVÁNÍ ... 35

2.4 ZAěÍZENÍ PRO MċěENÍ PLYNOTVORNOSTI NA KSP TUL ... 38

3. EXPERIMENTÁLNÍ SLEDOVÁNÍ PLYNOTVORNOSTI ... 41

4. DISKUSE POZNATKģ A VÝSLEDKģ ... 43

5. ZÁVċR ... 44

6. SEZNAM LITERATURY: ... 45

ÚVOD

Slévárenství je dĤležitým prĤmyslovým odvČtvím, které prodČlalo již nČkolik tisíc let dlouhý vývoj. Jeho historie je datována již od 3000 let pĜed naším letopoþtem, kdy se zaþaly vyrábČt první odlitky. Od této doby prošlo znaþným technologickým rozvojem, který umožnil výrobu složitČjších odlitkĤ z rĤzných druhĤ slitin. Produkty slévárenské výroby jsou k vidČní

na každém kroku. Jsou to jak zaĜízení všech prĤmyslových závodĤ, tak pĜedmČty pro dennodenní použití, které vlastníme v domácnostech.

Základní princip odlévání spoþívá v lití roztaveného materiálu do pĜipravené formy, následným chladnutím odlitku a vyjmutím z formy. Budoucí odlitek tvoĜí negativ tvaru formy. NejpoužívanČjší metodou odlévání je gravitaþní lití do netrvalých pískových forem.

Použití další metody, a to lití do kovových forem, se vyplatí používat pouze u velkosériových provozĤ, jelikož jejich poĜizovací náklady jsou pĜíliš vysoké.

Slévárenství je velmi rozsáhlý výrobní obor, který svou problematikou zasahuje do mnoha vČdních oborĤ. Složení formovacích smČsí vyžaduje znalost hlavnČ organické a anorganické chemie. Dále pĜi tuhnutí odlitkĤ je nutno brát v úvahu zákony termodynamiky a zákony sdílení tepla.

Slévárenská výroba byla zpoþátku založena pouze na získaných empirických zkušenostech, postrádajících znalosti o podstatČ probíhajících dČjĤ uvnitĜ formy. Postupem þasu a s uplatnČním výpoþetní techniky se vývoj urychlil a umožnil dosažení mnohem lepších výsledkĤ. PĜibyla Ĝada nových technologií pro výrobu odlitkĤ, jako je napĜ. používání automaticky Ĝízených vstĜikovacích lisĤ. Výpoþetní technika pĜedevším dále umožnila sledování dČjĤ uvnitĜ formy a jejich simulaci, což ušetĜí mnoho práce a také financí již pĜi návrhu nových forem a odlitkĤ.

Jedním z tČchto dČjĤ, jež je potĜeba sledovat je také plynotvornost netrvalých forem, která se negativním úþinkem podepisuje na výsledné kvalitČ odlitkĤ. S tímto problémem je spojena má rešeršní bakaláĜská práce, jejímž úkolem je podat informace o vzniku a mČĜení této nežádoucí vlastnosti slévárenských smČsí.

1. NETRVALÉ FORMOVACÍ SMċSI

Netrvalé formovací smČsi jsou vyrobeny smícháním jednotlivých složek. Jsou pouze jednorázové tj. slouží pouze pro jedno odlití. Jedná se o nejjednodušší a nejekonomiþtČjší variantu forem pro odlévání. Vyznaþují se špatnou tepelnou vodivostí.

Formovací smČsi by mČly být dobĜe formovatelné, prodyšné, chemicky stálé a pokud možno co nejménČ plynotvorné.

Pro výrobu pískových forem se formovací smČsi skládají ze tĜí základních komponent - ostĜiva, pojiva, pĜísad a popĜ. vody (pĜedevším u smČsí první generace).

1.1 OSTěIVA FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍ

OstĜivem je hlavní “nosná“ þást formovacích nebo jádrových smČsí. Jeho obsah dosahuje až 90% celkové hmotnosti a urþuje vČtšinu chemických a mineralogických vlastností. OstĜivem jsou v podstatČ þástice formovací smČsi, které jsou vČtší než 0,02 mm.

V nČkterých speciálních pĜípadech slévárenských forem, jako jsou napĜ. keramické formy apod., mohou mít þástice ostĜiva i menší rozmČr. VČtšina ostĜiv se nachází v pĜírodČ jako produkty rozpadu hornin, v menší nebo vČtší míĜe ovlivnČné þinností vody, vzduchu nebo ledu, pĜedevším kĜemenné ostĜivo. NČkteré druhy lze pĜipravit umČlou cestou. Hlavním požadavkem kladeným na ostĜivo je jeho schopnost odolávat vysokým teplotám [1].

Podle chemické povahy se dČlí ostĜivo na:

1) Kyselé (kĜemenné)

2) Neutrální (šamot, chromit, korund, zirkon atd.) 3) Zásadité (magnezit, magnezitchrom)

Podle druhu pĤvodu se dČlí ostĜivo na:

1) pĜirozená (kĜemenné písky)

2) umČlá (šamotový lupek, elektrokorund, kovové kuliþky)

Na obr. 1 je schéma rozdČlení ostĜiv.

Obr. 1 Rozd

^Č

lení ost

^Ĝ

iv

1.1.1 KYSELÁ OSTěIVA

K

^Ĝ

emenné ost

^Ĝ

ivo

- je známé pod pojmem

k

^Ĝ

emenné písky

. Jedná se o nejpoužívanČjší ostĜivo, neboĢ se vyskytuje ve volné pĜírodČ s vhodnou zrnitostí. Jeho základní surovinou je kyselý oxid kĜemiþitý ( SiO2 – kĜemen). Teplota tání kĜemene je 1700°C. Na kĜemenné ostĜivo jsou kladeny vysoké požadavky v oblasti mineralogické a chemické þistoty, tvaru zrn a granulometrické stavby. Optimálním tvarem kĜemenného ostĜiva je koule, jelikož má pĜi maximální objemu minimální plochu. Dalším dĤležitým prvkem je granulometrická stavba ostĜiva. Výhodná velikost je od 0,1 do max. 0,5 až 0,6 mm s prĤmČrnou zrnitostí 0,15 až 0,35mm. SiO2 má i Ĝadu nevhodných vlastností pro odlévání. ZahĜátím prodČlává polymorfní pĜemČny, které se projevují objemovými zmČnami a poruchami celistvosti formy. KĜemen jako kyselá látka reaguje s látkami zásaditými, a to má za pĜíþinu snížení žáruvzdornosti celé smČsi. Další škodlivou vlastností je kĜemenný prach, který vyvolává silikózu (nemoc plic) [2].

1.1.2 NEUTRÁLNÍ OSTěIVA

Šamot

- jedná se o umČle vytvoĜené ostĜivo. Šamotem se oznaþuje vypálený žáruvzdorný jíl, který obsahuje nejménČ 30% Al2O3 a zbytek smČsi tvoĜí SiO2 (kĜemen). Všechny další látky jsou zneþišĢujícími pĜímČsemi, jejich množství a složení závisí na þistotČ výchozí suroviny.

NeprodČlává žádné pĜekrystalizaþní pĜemČny. NejþastČji se používá na ocelové odlitky.

Teplota tání je stejná jako u kĜemenného ostĜiva 1700°C. Na obr. 2 jsou uvedeny þástice ostĜiva šamotu o rĤzné zrnitosti.

A) B)

A) – þástice šamotu o velikosti 1 až 3mm; B) þástice šamotu o velikosti cca 0,05 mm

Obr. 2

^ý

ástice ost

^Ĝ

iva šamotu

^[12]

Olivín -

 je pĜírodní materiál sopeþného pĤvodu s vysokým obsahem hoĜþíku (Mg). Jedná se o tuhý roztok dvou nejrozšíĜenČjších kĜemiþitanĤ:

Mg2SiO4 – Forsterit s teplotou tání 1900°C Fe2SiO4 – Fayalit s teplotou tání 1205°C

S olivínem se vyskytují další doprovodné prvky, jako je serpentin, chromit, spinel, magnesit atd. Olivín, viz obr. 3, se nejþastČji nachází v Norsku, Japonsku a USA.

Obr. 3 Rozpraskané zrno zeleného olivínu v

^þ

edi

^þ

i.

^[13]

Korund

– a jeho zneþištČné formy se objevují také pod názvem smirek. V pĜírodČ se nachází jako safír a korund. Na slévárenské úþely se používá korund umČle vytvoĜený, který se oznaþuje jako elektrokorund (Al2O3 – oxid hlinitý). Oxid hlinitý je polymorfní oxid, který se vyskytuje ve dvou modifikacích Į a Ȗ.

•

Alfa-korund

: krystalizuje v šestereþné soustavČ a Ĝadí se mezi vysokoteplotní modifikace Al2O3, které vznikají z modifikace Ȗ nad teplotou 1000°C. Jeho hustota je cca 4000 kg.m^-3 a je nerozpustný v kyselinách.

•

Gama-korund:

krystalizuje v krychlové soustavČ a pĜi teplotČ nad 1000°C pĜekrystalizuje na modifikace alfa. Jeho hustota je 3647 kg.m^-3.

NejpoužívanČjší je smČs alfa a beta korundu, která vychází finanþnČ nejlépe.

PĜi teplotách nad 1000°C se smršĢuje.

1.1.3 ZÁSADITÁ OSTěIVA

Zirkon

- zirkonová ostĜiva jsou tvoĜena smČsí silikátĤ ZrO2 · SiO2 a ZrO2. Hustota je pĜibližnČ 4600 kg.m^-3. Teplota tání je 2500°C. V porovnání s kĜemenným ostĜivem mají nižší lineární roztažnost, dvojnásobnou tepelnou vodivost a vysokou stabilitu vĤþi oxidĤm železa. Jsou odolné proti penetraci a zapékání povrchĤ odlitkĤ. Nelze je použít pro odlévání manganových ocelí, protože vykazují kyselou reakci díky obsahu SiO2 . PevnČ vázaný SiO2 nezpĤsobuje na rozdíl od kĜemenného ostĜiva vznik silikózy. Na zirkon lze použít všechny druhy pojiva.

Zirkonová ostĜiva jsou velice nákladná, proto se používají jen pro speciální formovací smČsi.

Velké uplatnČní nacházejí v rĤzných typech slévárenských nátČrĤ a námazkĤ. NejþastČji se zirkon vyskytuje na území Ukrajiny, Srí Lanky, Brazílie a Austrálie [3].

Magnezit

- MgO, umČle vytvoĜené ostĜivo vytvoĜené z minerálĤ pálením a slinováním MgCO = MgO+CO2. Slinuje se pĜi teplotách 1400°C a odolává teplotám cca 2000°C.

Obsahuje 85% MgO. Používá se pro odlévání legovaných ocelí.

Magnezitchrom

^Ǧobsahuje 60% MgO do 20% Cr2O3. Pro tato ostĜiva jsou charakteristickými vlastnostmi vysoká tepelná vodivost, vyšší hustota a nízký souþinitel lineární roztažnosti, který dává pĜedpoklady k odolnosti vĤþi náhlým zmČnám teplot.

V tabulce 1.1 je uveden pĜehled základních druhĤ ostĜiv, jejich chemická podstata a pĜíslušné teploty tání.

Tab. 1 P

^Ĝ

ehled základních druh

^Ĥ

ost

^Ĝ

iv a jejich teplot tavení

^[1]

Druh ostĜiva Základní složka Teplota tavení

KĜemen SiO2 1710 °C

Forsferit Mg2SiO4 1910 °C

Korund Al2O3 2050 °C

Zirkon ZrO2 . SiO2 2430 °C

Šamot Al2O3 1670 až 1730 °C

Magnezit MgO 2800 °C

ͳǤʹ POJIVA FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍCH

ýástice ostĜiva prakticky nevytváĜejí mechanicky stabilní soustavu, neboĢ pĜitažlivé síly mezi nimi se zaþínají projevovat až u þástic o rozmČru menším než 0,001mm. Proto musí být ke spojení zrn ostĜiva ve formovací smČsi použito tzv. pojiv, látek, které jsou schopny vytvoĜit na þásticích ostĜiva souvislou vrstvu, jejímž prostĜednictvím se þástice dotýkají a vytváĜejí se mezi nimi vazby. Pojiva se dČlí podle chemické podstaty, resp. pĤvodu na:

1) Anorganická pojiva 2) Organická pojiva



1) Anorganická pojiva

Jsou minerálního pĤvodu, udČlují formovací smČsi vaznost již v surovém stavu, nebo jí vytvrzují po chemickém nebo fyzikálním zpevnČní. PatĜí mezi nČ pĜedevším jíly, cementy, sádra, vodní sklo, organické estery kyseliny kĜemiþité aj. Tato pojiva jsou vhodná pro lití za syrova (bez vysušení). Díky své chemické podstatČ vyvíjí málo plynĤ pĜi lití (výjimku tvoĜí sádrové formy, které je pĜed použitím nutno sušit a žíhat). NapĜ. formy pojené vodním sklem mají po odlití zhoršenou rozpadavost. CelkovČ lze konstatovat, že anorganická pojiva vykazují nižší plynotvornost, než pojiva organická.

2) Organická pojiva

TvoĜí velkou oblast formovacích a jádrových smČsí. PatĜí sem pĜedevším umČlé pryskyĜice, oleje a sacharidy. Charakteristickými vlastnostmi tČchto smČsí jsou vysoká tekutost za syrova a možnost Ĝízeného tepelného, nebo chemického ztužení. Jejich nevýhodou je znaþný vývin plynĤ pĜi lití. Naopak vykazují dobrou tepelnou destrukci, vyhoĜívání pĜi lití a dobrou rozpadavost. Znaþná zdravotní závadnost všech organických pojiv vyžaduje dodržování pĜísných bezpeþnostních opatĜení.

V souþasné dobČ je vývoji slévárenských pojiv vČnována znaþná pozornost také z hlediska dopadu na životní prostĜedí. Pojiva formovacích a jádrových smČsí se dČlí podle zpĤsobu pojení na:

1) Pojiva I. generace (mechanický zpĤsob pojení) 2) Pojiva II. generace (chemický zpĤsob pojení)

3) Pojiva III. generace (pevnost se získává v dĤsledku fyzikálních sil)

PĜedpokládá se, že þtvrtá generace pojiv bude splĖovat ekologické a hygienické podmínky. Tato pojiva by mČla být na bázi proteinĤ nebo živých organismĤ, nesmí být toxická a nesmí zatČžovat lidský organismus ani životní prostĜedí [2].

Obr.4 Rozd

^Č

lení pojiv

1.2.1 POJIVA I. GENERACE

Jedná se o jílová pojiva, která se svým významem Ĝadí na první místo v použití. PatĜí k nejrozšíĜenČjším slévárenským pojivĤm, protože jsou ekonomicky dostupné. Jedná se o smČsi jemnČ rozpadlých jílových nerostĤ. Vlivem vysokých vazných sil dodávají formovacím smČsím dobrou pevnost za syrova i za sucha. Podle struktury se rozlišují jíly kaolinitické, illitické a montmorillonitické. DĤležitou souþástí formovacích smČsí s jílovými pojivy je volná (molekulová) voda, která umožĖuje rozvinout plastické vlastnosti jílĤ pĜi vytváĜení vaznosti smČsi.

Pojení je výsledkem sil kapilárního tlaku a velmi malých Van der Waalsových sil.

Mezi þásticemi ostĜiva a pojiva pĤsobí síly adhezní (pĜilnavé) a mezi þásticemi pojiva pak síly kohezní.

Kaolinitický jíl

^Ǧ

kaolinit

^{– (Al2O3.2SiO2.2H2}O), viz.obr. 5 – je hlavní souþástí žáruvzdorných jílĤ. Má vysokou žárovzdornost, ale dosahuje pomČrnČ malé vaznosti. Do smČsí se jich pĜidává až 20%. Používají se pro formy na tČžké ocelové odlitky a jsou základem šamotových

formovacích smČsí. PĜi teplotách 500 až 600 °C dochází k jejich dehydroxylaci, tedy k odstranČní chemicky vázané vody. Proto se musí šamotové formovací smČsi vypalovat [2].

Illitické jíly

^- jsou slídové jíly, které se nacházejí ve vČtšinČ pĜirozených formovacích pískĤ.

NejdĤležitČjší z illitických jílĤ je glaukonit, který je tvoĜen drobnými krystalky zelené barvy.

Podle barvy i složení je to železnato-železitý jíl s 20 až 25% oxidĤ železa. Po dokonalém rozetĜení je velmi plastický a formovací smČsi s ním dosahují vysokých vazností. Spékavost tČchto pojiv je okolo 1300°C. Na líci formy vytváĜí tenkou speþenou vrstviþku formovacího materiálu, která se nerozplavuje a snadno se odlupuje z odlitkĤ. Dodávají smČsím dobrou pevnost za syrova a velkou pevnost po vysušení.

Montmorillonitické jíly

^{- Al2O3.4SiO2.H2O.n H2}O – Montmorillonit (hlavní minerál horniny zvané Bentonit, viz obr. 6) vznikl zvČtráním sopeþných hornin, jako þediþe, diabasu a hlavnČ

jejich popela. Proces bentonizace probíhal pĜedevším v zásaditém prostĜedí na rozdíl od kaolínu, jehož metamorfóza pĜedpokládá kyselé prostĜedí. Od kaolínu se bentonit liší i svým vzhledem, je rĤznobarevný (žlutý, šedý, þervený), na omak mastný. Pro svou dobrou plastiþnost, absorpþní schopnosti a tixotropní vlastnosti je využíván v chemickém prĤmyslu, pĜi tČžbČ nafty, v zemČdČlství a pĜedevším ve slévárenství.

Vysoká vaznost bentonitových jílĤ ve formovacích smČsích umožĖuje snížit jejich obsah až 3x oproti jílĤm jiných druhĤ. Malý obsah jílu znamená také nízký obsah vody ve formovací smČsi, což umožĖuje odlévání forem na syrovo.

Obr. 6 Zemitý

^þ

ervenohn

^Č

dý montmorillonit

^[15]

1.2.2 POJIVA II. GENERACE

Postata pojení je založena na chemické reakci, která mĤže probíhat jak za tepla, tak za studena. Pojiva druhé generace se dČlí na organická a anorganická (minerálního pĤvodu).

ORGANICKÁ POJIVA II. GENERACE:

SmČsi používající organická pojiva druhé generace se vyznaþují vysokou pevností po vytvrzení v ohybu, nízkou teplotou termodesktrukce a dobrou rozpadovostí. To je

pĜedurþuje k uplatnČní pĜedevším v oblasti výroby jádrových smČsí, využívajících moderní metody tvorby jader.

Olejová pojiva

patĜí mezi nenavlhavá a ve vodČ nerozpustná. V praxi se používají pouze ty, které mají schopnost tuhnout na základČ oxidace za vzniku pryskyĜiþných látek. NejþastČji se používají pro výrobu jader, smČsi obsahují 2 - 4% olejového pojiva (fermeže). Jejich

hlavní surovinou jsou estery rozliþných mastných nenasycených kyselin, jejichž základem je benzenové jádro s nČkolika dvojnými vazbami (napĜ. kyselina olejová) [4].

Obr. 7 Strukturní vzorec kyseliny olejové

^[3]

Sacharidy

na rozdíl od olejových pojiv jsou ve vodČ rozpustné, proto mĤže být pĜi pojení smČs vlhká. Sacharidy výraznČ zvyšují vaznost písku za syrového stavu. Jejich hlavní nevýhodou je pĜejímání vlhkosti ze vzduchu. Po vysušení vykazují dobré pevnostní vlastnosti, a proto se používají pĜi výrobČ jader [2].

Prysky

^Ĝ

ice

jsou v dnešní dobČ hojnČ využívány hlavnČ díky svým dobrým slévárenským vlastnostem. Po vytvrzení jsou ve vodČ nerozpustné a odolávají navlhání ze vzduchu.

PĜi vytvrzování dochází k obalení zrna ostĜiva a vytvoĜení kompaktní, tepelnČ nevratné hmotČ. Jako pojiva se nejvíce používají pryskyĜice: fenolformaldehydové, moþovinoformaldehydové, furanové a kombinované.

Vytvrzováním syntetických pryskyĜic dochází k polykondenzaci. PĜi polykondenzaci vznikají nejprve makromolekuly jako meziprodukty. BČhem reakce neustále vzrĤstá molekulová hmotnost jednotlivých molekul na úkor molekul menších rozmČrĤ.

Vaznost smČsi za syrova je ovlivnČna viskozitou pryskyĜiþných pojiv. NejviskóznČjší jsou smČsi fenolformaldehydové, dále moþovinoformaldehydové a nakonec furanové.

Je-li vaznost pojiva pĜíliš malá, je nutné upravit pryskyĜici dalšími pĜísadami napĜ. sacharidy nebo malým množstvím bentonitu.

Vytvrzování pryskyĜiþných pojiv všemi zpĤsoby probíhá mnohem vyšší rychlostí než u dĜíve používaných pojiv. Pevnost v ohybu po vytvrzení smČsi za studena závisí na mnoha

þinitelích, z nichž mezi hlavní Ĝadíme: typ použitého ostĜiva, pryskyĜice, katalyzátoru a zpĤsobu pĜípravy.

Z chemického hlediska jsou pryskyĜice zásaditého charakteru a vývoj jejich uplatnČní ve slévárenství je založen na posunu jejich zásaditosti s pĜidáním kyselého média do oblasti vyšší kyselosti.

Všechna pojiva na základu umČlých pryskyĜic mají toxické úþinky na lidský organismus. Jedná se o vývin volného fenolu, formaldehydu nebo furanu bČhem pĜípravy a vytvrzování smČsi, který fyziologicky pĤsobí na centrální nervovou soustavu þlovČka.

V nČkterých pĜípadech se uvolĖuje pĜi odlévání karcinogenní uhlovodík benzypen 3,4.

Proto je další vývoj pryskyĜic ovlivnČn pĜísnými bezpeþnostními pĜedpisy na pracovní a životní prostĜedí.

V souþasné dobČ se na trhu objevuje velká Ĝada pryskyĜic pod rĤznými obchodními názvy. Pojiva, která se používají v posledních letech, jsou zdravotnČ ménČ závadná a nČkteré

mají i pĜíznivČjší pojící úþinky. Podle zpĤsobu vytvrzování se pryskyĜice dČlí na:

a) tvrditelné teplem b) Tuhnoucí za studena

c) Vytvrditelné vzdušnou emulzí triethylaminu.

A)

Teplem tvrditelné prysky

^Ĝ

ice

- pĜi ohĜevu fenol-formaldehydové pryskyĜice vznikají reakce, které zvČtšují její molekulovou hmotnost. PĜi teplotách nižších než je 170°C reaguje methylová skupina s reaktivním vodíkem jiného fenolického jádra, tvoĜí se methylenový mĤstek a dochází k odštČpování vody.



Obr. 8 Strukturní vzorec reakce fenol-formaldehydové prysky

^Ĝ

ice

^[3]

Druhá etapa tepelných reakcí zaþíná po pĜekroþení teploty nad 160 °C a dosahuje maxima pĜi teplotČ 200°C. PĜi této etapČ dochází k þásteþné ztrátČ formaldehydu a voda se pĜestává odštČpovat.

Celý proces se dá rozdČlit na tĜi stavy, v nichž se pryskyĜice bČhem konverze nachází.

Nejprve je to tavitelný rozpustný produkt (resol) obr. 9, poté se z nČho stává rozpustný netavitelný (resitol) a nakonec nerozpustný a netavitelný (resit). Zpoþátku se vytvoĜí centra izokoloidního charakteru, jejichž tvar, velikost a poþet závisí na reakþní teplotČ a na množství katalyzátoru. S pokraþující reakcí se vytváĜí kolem center stále vČtší aglomeráty, až se pĜiblíží sférokoloidní struktuĜe (resitolu). Celý pochod je pĜipravován na krystalizaci. Dalším zvýšením teploty pokraþují reakce, pĜi kterých se aglomeráty pospojují navzájem a vytvoĜí tak trojrozmČrnou strukturu resitu, která odpovídá koneþnému stavu vytvrzené pryskyĜice.

a) resol b) resitol c) resit

Obr. 9 Stadia vytvrzování fenol- formaldehydové prysky

^Ĝ

ice

^[3]

SmČsi na bázi fenol-formaldehydových pryskyĜic obsahují cca 100 hmotnostních dílĤ ostĜiva a 3,5 až 4,5 hmotnostních dílĤ FC Resolu 5260. Doba míšení 2 až 3 minuty, životnost pĜi 20°C je cca 12 hodin. Optimální teplota v horkém jaderníku 190 – 200 °C. Doba vytvrzování 2 až 5 minut. Pevnost smČsí po vytvrzení v ohybu þiní 5,5 až 6,5 MPa.

B) Prysky

^Ĝ

ice vytvrzované za studena

- schopnosti samovolného vytvrzování derivátĤ furanových pryskyĜic v kyselém prostĜedí bylo poprvé využito na konci šedesátých let.

Této skuteþnosti bylo využito také pĜi pĜípravČ formovacích smČsí, které jsou-li pojeny furanovými pryskyĜicemi, velice rychle tvrdnou i za studena. Podmínkou je použití kyselých katalizátorĤ. Technologie furanových smČsí úplnČ vylouþila sušení jader a výraznČ zkrátila výrobní i vytvrzovací þasy. Jádra dosahují výborných pevnostních vlastností, a proto se mohou vyrábČt bez výztuh. K tuhnutí smČsí dochází pĜímo v jaderníku a díky tomu se dosáhne vysoké pĜesnosti rozmČrĤ. Po odlití mají jádra dobrou rozpadovou schopnost.

Obr. 10 Strukturní vzorec tvorby lineárních molekul v kyselém prost

^Ĝ

edí

^[3]

Základní složkou furanových pryskyĜic je fufrurylalkohol. Reakce vzniku pryskyĜic z furfurylu je založena na mezimolekulární kondenzaci, pĜi níž se odštČpuje asi 18% vody.

PryskyĜice je tvoĜena ĜetČzovými molekulami, tvoĜenými z furanových jader spojených

Rychlost konverze pryskyĜice do netavitelného a nerozpustného stavu závisí na teplotČ, aktivnosti a koncentraci kyselých katalyzátorĤ. Proces samokondenzace lze

v kterémkoliv okamžiku zastavit nebo zpomalit ochlazením nebo pĜidáním zásaditých látek.

Proces formování musí být zajištČn kvalitním odsáváním, pĜípadnČ hermetizací formovací linky.

C) Vytvrditelné vzdušnou emulzí triethylaminu -

princip polykondenzace je založen na použití dvousložkového systému, který vlivem katalyzátoru tuhne za studena pĜi teplotČ okolního prostĜedí. První složku tvoĜí fenolová pryskyĜice v roztoku a druhou složkou je roztok polyisokyanátu. Vlivem pĤsobení triethylaminu dochází ke spojování OH- skupiny fenolové pryskyĜice s NCO- skupinami polyisokyanátu a vzniká uretanová pryskyĜice viz obr 11.

V praxi dČj probíhá nejprve promísením ostĜiva se dvČma kapalnými složkami, následuje vstĜelení smČsi do jaderníku a vytvrzení profouknutím smČsi plynnou emulzí triethylaminu.

Obr. 11 Rovnice chemické reakce polykondenzace

^[3]

Formovací smČsi využívající pro pojení uretanové pryskyĜice patĜí mezi systémy s ovládaným ztužováním pojiva. Pro pĜípravu triethylaminu jsou konstruovány speciální generátory, v nichž se pĜipravuje vzdušná emulze, jíž se profukují jádra z fenolisokynátové smČsi tlakem 0,2 MPa.

V souþasné dobČ se jedná o jednu z nejrychlejších metod pĜípravy jader. Jádra

ANORGANICKÁ POJIVA II. GENERACE

Sádry

se používají pro výrobu sádrových forem, které jsou urþeny k výrobČ pĜesných odlitkĤ.

Sádra plní funkci ostĜiva i pojiva, jen ve výjimeþných pĜípadech se pĜidává jemné ostĜivo.

Prášková sádra pĜedstavuje polohydrát síranu vápenatého. Ten se po smísení s vodou zmČní na sádrovou bĜeþku, která po urþité dobČ ztuhne v kompaktní celek. Z chemického hlediska pĜedstavuje ztuhlá sádra dihydrát síranu vápenatého.

Cement

jako pojivo se používá pĜedevším v zahraniþí (Francie, SRN), cementové formovací smČsi obsahují 70 až 80 hmotnostních dílĤ kĜemenného písku 10 až 12 dílĤ cementu a zbytek tvoĜí voda. Dnes se jako pojivo používá zĜídka. Cement dává již v množství 10 až 15%

dobrou pevnost po ztuhnutí. Nevýhodou je pomČrnČ dlouhá doba tuhnutí (i nČkolik dnĤ), špatná rozpadavost po odlití a potíže s vratným pískem.

Vodní sklo

z chemického hlediska pĜedstavuje smČs kĜemiþitanĤ sodných o rĤzné hmotnosti molekul. NejdĜíve se smČsi používající vodního skla jako pojiva nazývaly „chemicky tvrzené“

CT smČsi a pĜinesly do slévárenství velké zmČny. Používají se pro výrobu forem. Pro výrobu jader jsou nevhodné, díky zvýšené pevnosti po vysušení. Vodní sklo jako pojivo vytvrzované CO2 má Ĝadu nevýhod, které vedly k masivnímu vývoji nových technologií vytvrzování (pĜidání sacharózy, vytvrzování pomocí teplého nebo studeného vzduchu, pomocí mikrovln atd.). Mezi hlavní nevýhody patĜí:

• Malá vaznost (pevnost za syrova)

• Nižší pevnost po vytvrzení ve srovnání s organickými pojivy

• Vysoká spotĜeba CO²

• Zhoršená rozpadavost

Formovací smČsi s vodním sklem se dČlí do dvou skupin:

a) SmČsi s ovládaným ztužováním (profukováním CO2 , vytvrzování vzduchem, vytvrzování mikrovlnné a infraþerveným záĜením)

b) SmČsi bez ovladatelného ztužování (ST smČsi a samotvrdnoucí smČsi)

Pojivový systém vodní sklo – CO

2

; výroba CT sm

^Č

sí

Princip metody spoþívá v profouknutí upČchované formy z kĜemiþitého skla s vodním sklem oxidem uhliþitým. Tato technologie se používá jak pro výrobu jader, tak forem. Jeho výhody jsou dostupnost smČsí, jednoduchá pĜíprava, dobrá tekutost, spČchovatelnost, rychlé vytvrzování, dostateþná životnost, nízká plynotvornost a odolnost proti vzniku zálupkĤ.

Proces se dá zapsat chemickou reakcí:

Na2O ·

m

^SiO2·

n

^{H2O + CO2ĺ}

m

^{Si(OH)4 + Na2CO3 (1)}

Oxid uhliþitý je suchý, kyselý plyn, který vodní sklo vysuší a souþasnČ pĜevede do kyselé rosolovité podoby, tím vzniká gel kyseliny kĜemiþité (

m

^Si(OH)4). Gel kyseliny kĜemiþité postupnČ pĜechází v tuhou hmotu, která získává pevnost v tlaku cca 1MPa. Dalším produktem reakce je soda (Na2CO3). Ta se mĤže pĜi vyšších teplotách rozkládat na plyn Na2O, který je pro proces odlévání škodlivý (možné naplynČní taveniny).

Možnosti použití vodního skla se odvíjí od jeho horší rozpadavosti, která ho pĜedurþuje spíše jako pojivo pro formy. Proto se v poslední dobČ vynakládá znaþné úsilí

k zlepšení tČchto vlastností pomocí rĤzných pĜísad, které podporují rozpadavost. Díky nim se mĤže technologie používat také pro jádrové smČsi, kde je rozpadavost žádoucí vlastností.

Pojivový systém samotvrdnoucích sm

^Č

sí s vodním sklem (ST- sm

^Č

si)

Jedná se o smČsi s vodním sklem, kdy je proces vytvrzování založen na jiném principu a je doprovázen buć exotermickou reakcí, nebo bez exotermické reakce.

Mezi tyto metody se Ĝadí ST smČsi vytvrzované práškovými þistými kovy (Al, Zn, atd.) nebo práškovým FeSi nebo CaSi, což je N-metoda (Nyshiama- proces). ObČ skupiny ST smČsí využívají principu rozkladu vody kovem (reakce alkalických roztokĤ s kovy) za vzniku vodíku a velkého tepelného efektu, který podporuje dehydrataci alkalického kĜemiþitanu.

N- proces je založen na velké sluþivosti kyslíku s kĜemíkem:

FeSi + 2H2O ĺ SiO2 + Fe + 2H2 (2)

FeSi reaguje s NaOH:

m

FeSi + 2NaOH + (2

m

^{– 1)H2O ĺ Na2O ·}

m

^{SiO2 + 2}

m

^{H2 +}

m

^{Fe (4)}

Celý proces lze zapsat jednoduše:

Si + 2H₂O ĺ SiO₂ + 2H₂ (5)

Hlavní nevýhodou N- procesu je vznik vodíku, který reaguje se vzduchem a vzniká tím tĜaskavá smČs. Vysoká teplota smČsi pĜi vytvrzovacím procesu má nepĜíznivé úþinky na laky modelĤ a jaderníkĤ.

Špatná rozpadavost forem s vodním sklem vedla k vývoji dalších technologií vytvrzování vodního skla. Jedním z nich je vytvrzování esterolem. Esterol obsahuje dvČ složky esterĤ, první složka má nízkou rychlost vytvrzování a druhá vysokou. Esterol je hnČdá až žlutá nehoĜlavá netoxická kapalina, bez zápachu a agresivních úþinkĤ.

Vytvrzovací proces je založen na dvoustupĖové reakci. V prvním stupni dochází v alkoholickém prostĜedí vodního skla k rozkladu esteru, kdy se uvolĖuje kyselina. V druhém

stupni dochází vlivem uvolnČné kyseliny z prvního stupnČ k želatinaci vodního skla a ke vzniku pojivových gelĤ kyseliny kĜemiþité. Mechanismus je podobný jako pĜi

reakci vodního skla a Co2. Vodní sklo se sterolem vykazuje velmi dobrou rozpadavost.

SamovolnČ vytvrzované smČsi s vodním sklem se hodí k výrobČ jednoduchých až stĜednČ složitých jader bez zúžených prĤĜezĤ, tenkých výstupkĤ apod. s dostateþnČ velkými

známkami zajišĢujícími odvzdušnČní a na formy zhotovované podle modelĤ takového tvaru, který umožĖuje vyjímání modelu ze ztvrdlé formy. Proti metodČ CO2 je použití této smČsi omezeno a vyžaduje kontinuální pĜípravu a dopravu do jaderníkĤ nebo formovacích rámĤ [3].

1.2.3 POJIVA III GENERACE

Nejedná se o pojiva v pravém slova smyslu, ale spíše o pojivové systémy, neboĢ využíváme fyzikálních úþinkĤ pojení s ostĜivem. Fyzikální úþinek je vyvolávám pomocí zmrazení, magnetického pole nebo vakua. PĜi magnetickém zpĤsobu pojení je nutno využívat speciálního ostĜiva, které je složeno z malých magnetických brokĤ. Pro ostatní zpĤsoby se používají klasická ostĜiva jako napĜ. kĜemenné [4].

1.3 PěÍSADY VE FORMOVACÍCH SMċSÍCH

Do formovacích materiálĤ se nČkdy pĜidávají další pĜísady, kterými se mají zlepšit urþité vlastnosti. V podstatČ jde o látky uhlíkaté, neplastické a plastifikátory. Uhlíkaté látky (nejþastČji mleté þerné uhlí – letek) se pĜidávají do bentonitových formovacích smČsí na syrové formy pro litinové odlitky. K vysvČtlení mechanismu jejich pĤsobení ve smČsi existuje nČkolik teorií. ZjednodušenČ lze Ĝíci, že pĜi odlévání dochází k jejich pyrolýze a vzniklé pyrolýzní produkty brání kovu proniknout mezi zrna písku a tím zlepšují povrch odlitku. Neplastické látky (kĜemenná mouþka, šamotová mouþka) jsou velmi jemné a vyplĖují mezery mezi zrny formovacích pískĤ. Tím se sice zlepšuje povrch odlitku, ale klesá prodyšnost formy. Plastifikátory (dextrin, glukóza, sulfitový louh) zlepšují plastické vlastnosti smČsí a také jejich prodyšnost. Sacharidy zároveĖ zmenšují osychání formovacích smČsí.

KromČ toho existuje i urþitá skupina pĜísad pro zlepšení rozpadavosti smČsí s anorganickými pojivy.

1.4 VODA VE FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍCH

Funguje ve formovacích a jádrových smČsích jako plastifikátor (dává formovací smČsi vlastnosti potĜebné k udržení tvaru po formování). Voda tvoĜí ve formČ 3 - 4% celkové hmotnosti formovací smČsi. Nejvíce se voda používá u smČsí využívajících pojiva I. Generace (jílová pojiva), též pĜi výrobČ sádrových a cementových forem.

Voda je jedním z nejvíce plynotvorných prvkĤ ve formovacích smČsích. ZahĜíváním formy taveninou dochází k jejímu vypaĜovaní a tím vzniku plynĤ a par [9].

2. PLYNOTVORNOST FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMċSÍ

Plynotvornost je nepĜíznivá vlastnost formovacích a jádrových smČsí. ýím nižší bude hodnota plynotvornosti, tím bude lepší jakost povrchu odlitku. Dochází k nČmu pĜi styku taveniny o vysokých teplotách s povrchem formovací smČsi. Plynotvornost se vyjadĜuje v cm³ na 1 gram smČsi nebo na cm³ smČsi. Množství plynĤ uvolĖujících se z pískové formy záleží na druhu použitého pojiva a jeho podílu ve smČsi. Dále na zrnitosti ostĜiva, na jeho náklonnosti k navlhání a obsahu dalších pĜísad sloužících ke zlepšení vlastností formy nebo vyvolávající vytvrzovací reakce.

KromČ množství uvolnČných plynĤ je dĤležitá kinetika jejich vývoje a þas, pĜi kterém dochází k uvolnČní plynĤ. Ze složek používaných na výrobu formovacích smČsí vykazuje nejvČtší plynotvornost voda a další kapalná rozpouštČdla, nČkteré minerály, organické pĜísady a další látky.

Plyny vznikající pĜi odlévání tvoĜí smČs, ve které pĜevládají redukþní složky (CO, H2).

Únik tČchto plynĤ do atmosféry je doprovázen tlakem, který je závislý na jejich množství, rychlosti vývinu a odporu kladeného formovací smČsí. PĜi vysokých hodnotách tlaku v blízkosti líce formy mĤže dojít až k proniknutí tČchto plynĤ do taveniny a tím po ztuhnutí vytvoĜení dutin uvnitĜ odlitku.

PĜi styku povrchu (líce) formy s taveninou dochází ke sdílení tepla a prohĜívání formy. Rychlost prohĜívání (zvČtšování hloubky prohĜátí) na urþitou teplotu T, závisí na teplotních podmínkách na rozhraní tavenina - forma a na tepelnČ fyzikálních vlastnostech formovacího materiálu. Za zjednodušených podmínek lze zmČnu hloubky HF prohĜátí na teplotu t s þasem vyjádĜit vztahem:

t m

H

_F

=

_F

^.

^{, (6)}

kde znaþí: HF– zmČnu hloubky prohĜátí líce formy [ m ];

mF – koeficient prohĜátí formy [ m.s^-1/2 ];

t – dobu ohĜevu formy [ s ].

Po odlití se ve formČ vytváĜí nČkolik vrstev s rĤzným stupnČm vývinu plynĤ. TloušĢka každé vrstvy záleží na teplotČ formy v daném okamžiku a hodnotami teplot rozkladu jednotlivých smČsí. Jako první se rozkládají komponenty s nejnižší teplotou rozkladu.

Za touto vrstvou se nacházejí vrstvy, kde dochází nejprve k oddČlení chemicky vázané vody z bentonitu (u syrových forem) a minerálních pĜímČsí, poté k vypaĜení mechanicky pĜimísené vody. V další vrstvČ dochází ke kondenzaci plynĤ a par a poslední vrstvou je vrstva, kde nedochází k žádným zmČnám vlivem teploty. Hranice mezi jednotlivými zónami nejsou ostĜe ohraniþené, ale pĜechází volnČ jedna do druhé. DĤsledkem vzniku tČchto vrstev ztrácí formovací smČs své poþáteþní slévárenské vlastnosti a stejnorodost (chemicky nestejnorodé vlastnosti). Rychlost prostupu zplyĖovaných látek hloubČji do formy závisí na kritické teplotČ rozkladu, tepelné vodivosti smČsi a na teplotČ rozhraní tavenina - forma. Se snižující se hodnotou teploty rozkladu jednotlivých látek se snižuje rychlost posunu vrstev [1], [7].

1) prĤbČh teplot ve formČ v þase t od odlití; 2) objemy plynĤ Vpl uvolĖující se ve vrstvách I až IV

Obr. 12 Pr

^Ĥ

b

^Č

h uvol

^Ė

ování plyn

^Ĥ

ve st

^Č

n

^Č

slévárenské formy

^[1]

Tab. 2 PĜ

ehled teplot rozkladu vybraných látek

^[7]

Plynotvorná složka Kritické teploty rozkladu [°C ]

Voda 100

jílové pojivo 200 až 400

Vápenec 860 až 910

sulfitové pojivo 220 až 260

moþovinoformaldehydové

pryskyĜice 280 až 320

fenolformaldehydové pryskyĜice 650 až 750

Souhrn fyzikálnČ-chemických dČjĤ, které se podílejí na tvorbČ plynĤ a par pĜi odlévání formovacích a jádrových smČsí:

1) VypaĜování vody a jiných rozpouštČdel 2) Spalování (hoĜení, oxidace) organických látek 3) Tepelný rozklad organických látek (destilace) 4) Tepelný rozklad minerálĤ

5) Disociace plynĤ 6) Rozpínání vzduchu

VYPA

^ě

OVÁNÍ VODY A JINÝCH ROZPOUŠT

^ċ

DEL

Vyskytuje se nejvíc u smČsí, které obsahují vodu jako rozpouštČdlo pojiv (napĜ. jílĤ ve smČsích pro syrové formy). SpoleþnČ s vodou mohou smČsi obsahovat i jiná rozpouštČdla.

Voda mĤže být ve smČsi s minerálními i organickými složkami vázána chemicky, fyzikálnČ chemicky nebo mechanicky.

Voda obsažená ve formovacích smČsích je s minerálními i organickými složkami smČsi vázána chemicky (je souþástí krystalové mĜížky). Lze jí uvolnit pĜi pomČrnČ vysokých teplotách, charakteristických pro daný minerál.

FyzikálnČ chemicky vázaná voda na minerál tvoĜí disperzní prostĜedí koloidních soustav (napĜ. jílĤ). K jejímu uvolnČní je zapotĜebí dovést znaþné teplo, množství vylouþené vody je pĜímo úmČrné s teplotou, jaké je smČs vystavena.

Mechanicky vázaná voda je ve smČsích držena v dĤsledku soþivosti v kapilárách mezi jednotlivými þásticemi smČsi. Vazby jsou dány kapilárními silami a silami smáþení, záleží na povrchovém pnutí kapaliny a kapilárním tlaku a rovnČž jsou urþeny charakterem a stavem dotýkajících se materiálĤ. Její odpaĜování se odlišuje od vypaĜování vody volné, která se ve smČsích také vyskytuje.

SPALOVÁNÍ (HO

^ě

ENÍ, OXIDACE) ORGANICKÝCH LÁTEK

Probíhá uvnitĜ smČsí za pĜítomnosti oxidovadel, kterými jsou kyslík ze vzduchu, uzavĜený v pórech formy, vodní pára a CO2. Další možností výskytu oxidovadel uvnitĜ formy je pĜíchod kapilárami formy. Vzdušný O2 mĤže v pásmu hoĜení prostupovat prostĜednictvím difuze pĜes póry smČsi a kromČ toho je také kyslík obsažen na poþátku procesu uvnitĜ pórĤ.

Ve skuteþnosti je množství kyslíku uvnitĜ formy velice malé a neumožĖuje intenzivní prĤbČh oxidace. PrĤchodnost formy kyslíkem po naplnČní taveninou se prakticky zastavuje, protože plyny stoupající skrz formu z taveniny do atmosféry všechen vytlaþí.

Z hlediska oxidace jsou významné zejména reakce oxidace tuhého uhlíku:

C_(s) + O₂ (g) ļ CO₂ (g) (7)

2C_(s) + O₂ (g) ļ 2CO₂ (g) (8)

Ve slévárenství mají vČtší význam rekce okysliþování tuhého uhlíku vodními parami a CO2. Oxidaþní reakce uhlíku oxidem uhliþitým probíhá za vysokých teplot nad 800°C.

Uhlík reaguje také s vodními parami, které se nejprve pĜemČní pĜi teplotách do 810°C v CO2

(hluboko uvnitĜ formy) a pĜi vyšších teplotách se pĜemČní v CO (u povrchu formy).

C_(s) + CO₂ (g) ļ 2CO (g) (9)

C_(s) H₂O (g) ļ CO (g) + H₂ (g) (10)

C_(s) + 2H₂O (g) ļ CO₂ (g) + 2H₂ (g) (11)

UvnitĜ pískových forem se neustále vytváĜí a obnovuje atmosféra složená z rĤzných

TEPELNÝ ROZKLAD ORGANICKÝCH LÁTEK (DESTILACE)

Pomalý tepelný rozklad organických látek nastává pĜi ohĜevu bez pĜístupu vzduchu nebo jiného oxidovadla. Dochází k narušení struktury a destilaci nejprve tČkavČjších frakcí a po zvýšení teploty frakce ménČ tČkavé. Výsledným produktem destilace je koks. PĜi reálném

odlévání se reakce liší tím, že se organické látky nacházejí v disperzním stavu, což pĜi rychlém ohĜevu na líci formy zpĤsobí narušování poĜadí uvolĖování jednotlivých frakcí.

Za tČchto podmínek vzniká jediná smČs par a plynĤ, ve které mají její jednotlivé složky rozdílnou teplotu. Chemické složení plynĤ pĜi termickém rozpadu je charakteristické pĜítomností velkého množství par H2O, olejĤ, nasycených a nenasycených uhlovodíkĤ.

Z dĤvodu nepĜítomnosti kyslíku v pórech smČsi nedochází ke shoĜení produktu reakce.

BČhem procesu filtrace kondenzuje þást tČchto produktĤ uvnitĜ formy a zbylá þást uniká ven do atmosféry. Tento dČj se významnČ uplatĖuje pĜi ohĜevu smČsí obsahujících velké množství organických þástí pojiv (umČlé pryskyĜice, uhelná mouþka)

TEPELNÝ ROZKLAD MINERÁL

^ģ

OhĜevem nČkterých materiálĤ ve smČsi dochází k uvolĖování plynné složky. NČkteré minerály mají vysokou plynotvornost napĜ. 1 kg CaCO3 uvolĖuje 0,224 m³ plynu CO2. Nedílnou souþástí minerálĤ je i voda, která se v nich váže tĜemi zpĤsoby.

Konstitu

^þ

ní voda

: vyznaþuje se nejpevnČjší vazbou s krystalickou mĜížkou, uvolĖuje se pĜi urþité teplotČ, obyþejnČ pĜi vypalování nebo pĜi chemické reakci, tento proces není vratný a dochází po nČm k rozpadnutí minerálu.

Krystaliza

^þ

ní voda

: má mnohem slabší vazbu než voda konstituþní a je uvolĖována pĜi žíhání, nČkdy i ve dvou nebo tĜech teplotních intervalech. Po namoþení se voda opČt naváže na materiál (v mnohých pĜípadech).

Voln

^Č

vázaná voda

proniká do krystalické mĜížky, ale není chemicky vázaná. Její vazba je dána teplotou, tlakem a þasovým intervalem, kdy je minerál vystaven jejímu pĤsobení.

DISOCIACE PLYN

^ģ

MĤže nastat u plynĤ uvolĖujících se v dĤsledku pĤsobení nČkterého z výše popsaných dČjĤ. NejþastČji se takto rozkládají uhlovodíky za pĤsobení vysokých teplot. Dochází pĜi tom ke zvČtšování objemu plynné fáze a k usazování uhlíku ve formČ sazí v pórech smČsi.

CH4(g) ļ C(s) + 2H2(g) (12)

Jednotlivé plyny mohou vstupovat do reakce jak mezi sebou, tak s látkami formy a slitiny (probíhají za souþasného zvČtšování objemu, vlivem þehož se zvyšuje rychlost úniku plynĤ z formy).

ROZPÍNÁNÍ VZDUCHU

UvnitĜ formy je mezi þásticemi uzavĜeny vzduch. Ten tvoĜí v závislosti na stupni zhuštČní a pórovitosti formy 26 až 38% objemu smČsi. PĜi ohĜevu formy dochází ke zvČtšení objemu tohoto plynu. Ve vČtšinČ pĜípadĤ se bude zvČtšení objemu pĜi ohĜevu na 500-700°C podílet pouze malou þástí na celkovém objemu uvolĖujících se plynĤ a to jen po velmi krátkou dobu (pouze nČkolik sekund pĜímo po odlití, vČtšina plynĤ odchází s výfuky ven z formy) [7], [1].

2.1 URýOVÁNÍ PLYNOTVORNOSTI FOREM A JADER

Plynotvornost formy je urþena objemem plynĤ a par Vpl, které se uvolĖují z formy o objemu VF:

F

pl

M V

V ^{= .}

^, (13) kde znaþí: Vpl - objem plynĤ a par [m³ ];

M - mČrnou plynotvornost smČsi pĜi ohĜevu na kritickou teplotu Tm [ m³pl· m^-3F ];

Objem formy se dá urþit také ze vztahu mezi povrchem styku formy s odlitkem a hloubkou prohĜátí formy na kritickou teplotu:

F F

F

S H

V ^{= .}

^{[ m3 ]} (14)

kde znaþí: SF – povrch styku odlitku s formou [ m² ];

HF – hloubku prohĜátí formy na teplotu TM.

Za pĜedpokladu, že hloubka prohĜátí formy se mnČní v závislosti na þase prohĜívání získáme vztah závislosti objemu plynĤ na þase:

t A t m M S

V

pl

=

F

. .

F

. = .

[ m³ ] (15) Kde znaþí:

A – koeficient plynotvornosti formy [m³· s^-1/2 ] Definice koeficientu plynotvornosti

F

F

M m

S

A ^{= . .}

(16) MČrný koeficient plynotvornosti je pak urþen vztahem mezi koeficientem plynotvornosti a povrchem styku odlitku s formou.

t S V m

M

a

F

F

.

pl

. =

=

_{[ m}³_{· m}^-2_{· s}^-1/2 ] (17)

A - charakterizuje koeficient plynotvornosti pro celkový objem plynĤ, uvolĖujících se za þas z celého povrchu styku taveniny s formou nebo jádrem, mČrný koeficient a vyjadĜuje intenzitu vývinu plynĤ z jednotky povrchu styku formy s roztaveným kovem. Vztah mĤžeme vyjádĜit:

V

pl

= a . S

F

. t

[ m³] (18) Po dosazení za S_f = 1[ m² ]

V

_pl

⁼ a ^. t

^{[ m3· m-2 ]} (19)

Obr. 13 Grafické znázorn

^Č

ní vztahu

^{(19) [1]}

Ze vztahu pro vyjádĜení mČrného koeficientu plynotvornosti vyplývá, že mČrný koeficient plynotvornosti závisí na mČrné plynotvornosti smČsi a na koeficientu prohĜátí formy [1].

Možnosti snížení plynotvornosti formy tedy jsou:

ĂͿ Zmenšení plynotvornosti smČsi ďͿ Zmenšením intenzity prohĜátí formy

Tab.3 Charakteristiky plynotvorných podíl

^Ĥ

formovacích a jádrových sm

^Č

sí [1]

Plynotvorný podíl ve smČsi (1% hmotnosti)

Kritická teplota rozkladu

T_M [°C ]

MČrný tepelný koeficient plynotvornosti

a

Voda 100 2,6 .10^-2

Jílové pojivo 200-400 (0,01-0,15) .10^-2

Dalším dĤležitým aspektem posuzování plynotvornosti formy je rychlost vývinu plynĤ. Tato rychlost dosahuje nejvyšších hodnot v okamžiku ihned po odlití, což mĤže vést ke znaþnému zvýšení tlaku plynĤ Pp1 a tím pádem ke zhoršení kvality povrchu odlitku (pronikání plynĤ do taveniny, vznik plynových kapes). Rychlost vývinu plynĤ se urþuje vztahem:

a t dV dt

V

_pl ^pl

.

= 2

=

_{[ m}³_{· m}^-2_{· s}^-1 _{] (20)}

Eliminace vývinu plynĤ a par uvolĖujících se z formy pĜi lití, lze dosáhnout vhodným tepelným zpracováním forem a jader pĜed litím (sušení, žíhání). PĜi tČchto operacích dochází k þásteþnému rozložení plynotvorných látek a vznikající plyny a páry snadnČji pĜecházejí do atmosféry bez nebezpeþí zhoršení jakosti povrchu odlitku.

2.2 VZNIK A PRONIKÁNÍ PLYNģ A PAR DO TAVENINY

PĜi nevhodnČ nastavených energetických a tlakových podmínkách mĤže nastat dČj pronikání plynĤ do taveniny a s ním spojená horší jakost odlitku. Plyny z formy mohou do odlitku unikat dle této rovnice:

P

F

⁼ p

m

⁺ p

p

⁺ p

pf (21)

Ve vzorci pĜedstavuje Pf celkový tlak plynĤ ve formČ. Dá se vyjádĜit jako souþet

metalostatického tlaku pm, odporu kovu proti vniknutí plynové bubliny do taveniny pp

a pĜetlaku plynĤ nad hladinou roztaveného kovu ppf.

Plynové bubliny vznikají v odlitku, když je celkový tlak plynĤ vČtší než souþet dílþích tlakĤ. Nejvíce plynĤ se z formovacích a jádrových smČsí vyluþuje ihned po odlití, kdy je malá tloušĢka ztuhlého kovu a malý metalostatický tlak. Nejprve se vylouþené plyny zaþnou shromažćovat u povrchu taveniny, se zvyšujícím se tlakem zaþnou pĜekonávat odpor kovu proti vniknutí a zaþnou prostupovat do taveniny. S ještČ vČtším nárĤstem tlaku se bublina vlivem povrchových napČtí zaškrtí a v momentČ pĜekonání metalostatického tlaku uvolní do taveniny, viz obr. 14.

Obr. 14 Grafické znázorn

^Č

ní úniku plyn

^Ĥ

do taveniny

^[5]

2.3 MċěENÍ PLYNģ A PAR VZNIKAJÍCÍCH PěI ODLÉVÁNÍ

Plynotvornost je možné mČĜit dvČma odlišnými zpĤsoby. První metoda napodobuje tepelné namáhání na vzorku formovací nebo jádrovČ smČsi v laboratorních podmínkách a druhá pĜímo sleduje množství a objem vzniklých uvolnČných plynĤ a par na reálném odlitku v reálných podmínkách (vzniklých stykem taveniny s lícem formy). Podle toho se dČlí na:

a) NepĜímé metody (laboratorní) b) PĜímé metody (provozní)

Vznik plynĤ a par ve formovací smČsi není stejný, u choulostivČjších odlitkĤ se proto pĜi jeho mČĜení musí postupovat velice opatrnČ. Postupem þasu byly vypracovány rĤzné zkoušky, kterými se plynotvornost mČĜí. Každá mČĜící metoda je založena na jiném principu, tudíž nelze jejich výsledky pĜímo srovnávat. Konfrontovat jednotlivé výsledky lze pouze z výsledkĤ zkoušek provádČných stejnou technologií. Jednotlivé mČĜící metody lze rozdČlit na:

3) MČĜení tlaku plynĤ a par, vzniklých v pokusném jádru zalitém nebo ponoĜeném do roztaveného kovu.

4) MČĜení proudových rychlostí (a tedy množství plynĤ a par) v jádru, zalitém nebo ponoĜeném do roztaveného kovu.

5) Stanovení ztráty žíháním.

a) NepĜímé metody mČĜení plynotvornosti:

NepĜímé metody sledování plynotvornosti jsou založeny na sledování malého vzorku formovacího materiálu zahĜívaného v peci. VČtšina metod spoþívá v ohĜívání malého

množství vzorku formovací nebo jádrové smČsi (nejþastČji 1-5gramĤ) v peci vyhĜáté na teploty okolo 1000°C. Jedním z nejstarších zpĤsobĤ mČĜení plynotvornosti nepĜímou

metodou byla Marsova pec (viz obr. 15). Princip mČĜení spoþívá ve vložení malého množství navážky na porcelánové lodiþce do pece. Zde se smČs zahĜívá a vylouþené plyny proudí chladiþem do kalibrované trubice pro mČĜení objemu plynĤ (eudiometru).

Tohoto principu využilo ve 30. a 40. letech Ĝada dalších napĜ. A. Nizovcev nebo W.H.Dietert. Hlavními nedostatky byly nepĜesné množství navážky, vyluþování kondenzátu pĜi zahĜátí, který se choval jako plyn a neurþitá rychlost zahĜívání.

Další metodou sledování plynotvornosti je kontrola váhovým rozdílem. MČĜení

spoþívá ve vložení vzorku formovací smČsi do pĜedem vyhĜáté peci a jeho zahĜátí na stanovenou dobu. Výsledkem zkoušky je úbytek váhy vzorku v závislosti na þase ohĜevu.

ýasem se vytvoĜilo mnoho dalších metod, které odstranili, nebo alespoĖ eliminovali prvotní faktory vzniku chyb mČĜení. Používají se moderní odporové pece, vlastní atmosféry popĜ. pĜivádČní neteþných plynĤ za úþelem zaruþení stálosti vlivĤ tvorby plynotvornosti a zamezení možnosti hoĜení vzdušného kyslíku [8].

1) žáruvzdorná trubice se vzorkem smČsi; 2) Marsova pec; 3) chladiþ; 4) eudiomČr

Obr. 15 Schéma m

^ČĜ

ícího za

^Ĝ

ízení s Marsovou peci

^[8]

b) PĜímé metody sledování plynotvornosti

PĜímé metody sledování plynotvornosti vycházejí z reálných podmínek, které mĤžeme namČĜit pĜi odlévání konkrétního odlitku. Objem vzniklých plynĤ je sledován tlakomČry a plynomČry rĤzné konstrukce, umístČnými pĜímo ve formČ, a proto nám dává pĜesnČjší informace o vývinu plynĤ než mČĜení nepĜímými metodami. Množství vzniklých plynĤ se vČtšinou mČĜí v závislosti na vzniklém tlaku pĜi odlévání. Objem vzniklých plynĤ a rychlost jejich tvorby je závislý na þase. PĜímé metody sledování plynotvornosti jsou finanþnČ mnohem nároþnČjší než metody nepĜímé, protože se musí ke každému mČĜení pĜistupovat individuálním zpĤsobem a není tedy možné ho aplikovat na mČĜení vČtšího množství druhĤ odlitkĤ. Existuje nČkolik možností sledování plynotvornosti pĜímou metodou, které se od sebe liší druhem formy, zaformováním odlitku nebo rozmČry vzorku.

MČĜení dle Jašina - plynotvornost se mČĜí pomocí trubice, která je pĜipojená na mČĜící

zaĜízení snímající objem a tlak vzniklých plynĤ. Vzorek je umístČn do kovové formy a postupnČ se zalévá taveninou (buć pouze z jedné strany, nebo celý najednou). Hodnoty

válce. Vzorek se konstantní rychlostí ponoĜuje do nádobky s roztavenou taveninou až do hloubky 200mm. PĜi ponorné zkoušce se mČĜí tlak plynu v závislosti na þase. Z mČĜení se získávají dvČ hodnoty. První se získá hned na poþátku, kdy se k vytvoĜeným plynĤm pĜidávají ještČ plyny obsažené v pórech vzorku, které prudkým ohĜevem ještČ zvČtšují svĤj objem.

Ty jsou þásteþnČ odvádČny pomocí zalisované trubiþky a þásteþnČ pronikají taveninou. Pára a kondenzující plyny se hromadí v kondenzaþní zónČ, která se postupnČ pĜesouvá do stĜedu vzorku. Druhá hodnota se získává ve chvíli, kdy se kondenzát pĜesune do stĜedu vzorku k trubiþce a vypaĜí se.

MČĜení dle Spasského - formovací smČs je zaformována do keramického prstence. Plyny se uvolĖují do jeho stĜedu a jsou z nČho odvádČny kĜemennou trubicí, která je ukonþena speciální hermeticky uzavĜenou nádobkou o objemu 19300cm³ opatĜenou tlakomČrem. UvnitĜ tlakomČru je membrána z tenkého plechu, která se prohýbá. Na ní jsou pĜipojeny tenzometry, které snímají její prĤhyb. Celkový objem plynĤ se vypoþítá ze znalosti tlaku a objemu nádobky.

MČĜení dle Berga - vzorek musí mít pĜesnČ dané rozmČry a to kruhový prĤĜez 150mm, pracovní povrch o ploše 176 cm² a tloušĢku 50mm. Vzorek se vloží do speciálního prstence a postupnČ se zalévá taveninou až do výšky 80mm. BČhem celého procesu se mČĜí objem a teplota uvolĖujících se plynĤ [8], [5].

2.4 ZAěÍZENÍ PRO MċěENÍ PLYNOTVORNOSTI NA KSP TUL

MČĜení plynotvornosti se na naší katedĜe provádí na zaĜízení fungujícím na principu zmČny tlaku plynĤ v závislosti na þase (nepĜímou metodou). Toto zaĜízení bylo zkonstruováno a navrženo pĜímo na katedĜe strojírenské technologie – FS TU v Liberci a vychází ze zaĜízení typu PGD a prošlo již dvacetiletým vývojem, bČhem kterého je neustále zdokonalováno k dosažení co nejlepších výsledkĤ mČĜení.

Proces mČĜení spoþívá v zahĜívání vzorku o hmotnosti 1g položeném na molybdenové lodiþce uvnitĜ zatavené kĜemenné trubice odporové peci, která je vyhĜátá na žádanou teplotu.

Vzniklý tlak se pĜenáší trubicí do speciálního válce s tlakovým þidlem, které snímá zmČny tlaku. Tyto zmČny tlaku jsou z þidla posílány do sbČrnice, která pĜevádí analogový

vstup na digitální a posílá ho pĜes USB port do PC. BČhem celého mČĜení je nutné mít zapnuté vodní chlazení. (viz. pĜíloha þ. 2)

1) regulátor pece (až do 1300°C); 2) odporová pec; 3) válec s tlakovým þidlem;

4) dat. sbČrnice; 5) zdroj napČtí sbČrnice; 6) PC; 7) tlaková nádoba s plynem (N2)

Obr. 16 Za

^Ĝ

ízení pro m

^ČĜ

ení plynotvornosti na FS TU v Liberci

^[10]

Kalibrace zaĜízení - pĜed každým mČĜením je nutno zaĜízení kalibrovat, abychom zjistili pĜesnou hodnotu. Kalibraci je možné provést nČkolika zpĤsoby, na katedĜe KSP se však používá kalibrace pomocí zátČžové pumpy AMETEK. Tato pumpa je k dispozici na katedĜe KEZ na TU v Liberci. ZmČna vstupního tlaku se provádí v rozsahu tlakĤ 1-10 000 Pa.

Výsledkem je kalibraþní kĜivka vyjadĜující závislost tlaku na zmČĜeném napČtí sestavy pro mČĜení plynotvornosti. Hodnoty jsou vyjádĜeny pomocí softwaru DaqView na PC. Na základČ zmČĜených hodnot pomocí zátČžové pumpy pro rozmezí tlakĤ 1-10 000Pa byla urþena kalibraþní konstanta 1Pa= 0,00030300 V, kterou jsem dále používal pĜi výpoþtech plynotvornosti zkušebních mČĜení provedených jako souþást této bakaláĜské práce [7].

Postup mČĜení

1) Zapojení pĜístroje (zapnutí pece na pĜíslušnou teplotu, zapnutí chlazení, pĜipojení sbČrnice a PC)

2) Navážení pĜesného množství vzorku formovací smČsi ( 1g) 3) UmístČní vzorku na molybdenovou lodiþku

4) SpuštČní mČĜení na PC

5) Vsunutí vzorku na molybdenové lodiþce a pĜitlaþení dostateþným tlakem na kónický pryžový uzávČr.

6) ýekání pĜibližnČ 120 vteĜin na namČĜení hodnot 7) Vypnutí mČĜení na PC

8) Vyjmutí vzorku z pece 9) Vypnutí pece















3. EXPERIMENTÁLNÍ SLEDOVÁNÍ PLYNOTVORNOSTI

V rámci mého rešeršního sledování plynotvornosti slévárenských formovacích a jádrových smČsí jsem pouze orientaþnČ provedl zkušební mČĜení. MČĜení bylo provedeno na 10 vzorcích CT smČsi. Tato smČs obsahovala ostĜivo, kterým byl slévárenský písek ST 55 PAP (viz. pĜíloha þ. 1) s velikostí stĜedního zrna 0,16 mm Dodavatelem tohoto ostĜiva je firma Sklopísek StĜeleþ. Pojivem smČsi byl Novanol, který tvoĜil 2 hmotnostní % ve smČsi.

K mČĜení bylo použito uvedené mČĜící zaĜízení, viz obr. 16. Toto zaĜízení mČĜí na základČ aplikace stavové rovnice pro izotermický dČj:

konst V

p ^{. =}

(22)

Rovnice (22) je dále upravena na tvar:

∆ V . p

a

= ∆ p . V

₀ (23) Kde znaþí

ǻV – zmČnu objemu uvolnČných plynĤ ze smČsi;

ǻp – zmČnu tlaku uvolnČných plynĤ ze smČsi;

V₀ – objem mČĜící soustavy (V0 = 1995 cm³);

pA – atmosferický tlak (97.10³ Pa).

Vzorky pro mČĜení plynotvornosti byly pĜipraveny dle výše uvedeného postupu.

Vyrobené vzorky jsou patrné z obr. 18, jejich hmotnost se blížila 1 g.