SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS

IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
Stanisław BIEDA1,
HÜTTENES ALBERTUS,
Lublin
1. Wprowadzenie.
Odlewnie borykaj si ci gle z nowymi, coraz bardziej skomplikowanymi
wyzwaniami, a tak e wzrastaj cymi nowymi wydatkami zwi zanymi z ochron stanowiska
pracy i rodowiska. Szczególny problem stanowi wydzielaj ce si przy zalewaniu
i chłodzeniu form odlewniczych produkty parowania, wytlewania i krakowania, które
powstaj ze stosowanych w odlewniach rdzeni produkowanych dzisiaj przewa nie z mas
wi zanych ywicami syntetycznymi. Obok emisji gazów i odoru powstaj cych przy
zalewaniu rdzeni, tak e przy produkcji rdzeni wydzielaj si zapachy i powstaj emisje.
Chocia w ostatnich latach podj to du e wysiłki, a tak e osi gni to znaczn popraw
w całym procesie, problematyka ta nie została jeszcze ostatecznie rozwi zana. Dlatego w
ostatnich latach wzrosło zainteresowanie i poszukiwanie spoiw alternatywnych. Zwrócono
przy tym szczególn uwag przede wszystkim na spoiwa nieorganiczne. Ich zastosowanie
umo liwia wyra ne zmniejszenie emisji i zwi zanego z tym obci enia odorem przy
produkcji rdzeni a przede wszystkim przy zalewaniu, szczególnie w przypadku odlewania
aluminium.
2. Spoiwo nieorganiczne – przełom czy wieczna nadzieja?
W celu wyprowadzenia spoiw nieorganicznych z ich niszowej egzystencji
przedyskutowano ich zastosowanie w odlewniach na konferencji w listopadzie 2002, pod
wyznaczonym przez los hasłem: Spoiwo nieorganiczne – przełom czy wieczna nadzieja?
[1]. Oferenci spoiw nieorganicznych przedstawili przy tym swoje koncepcje nowych spoiw
i pokazali mo liwo ci ich zastosowania. Du e zainteresowanie i pozytywny odd wi k
w tej sprawie uwidocznił si tak e na odbywaj cym si w nast pnym roku kongresie
GIFA, na którym ten temat był szeroko omawiany [2].
Huttenes-Albertus przedstawił na w/w konferencji a tak e na kongresie GIFA
opracowany przez Grup
Huttenes-Albertus system spoiwa nieorganicznego.
Aby dopomóc przebiciu si spoiwa nieorganicznego na rynku, Huttenes-Albertus
wprowadzaj c spoiwo Cordis d y do wykorzystania przy produkcji ju istniej cych
i eksploatowanych technik lub urz dze . A zatem powinno by mo liwe zastosowanie
spoiwa na tradycyjnych strzelarkach, a tak e usuwanie rdzeni z odlewów na istniej cych
urz dzeniach. Zalecane jest przy tym wybijanie rdzeni na sucho. Najbardziej
podstawowym warunkiem wprowadzenia na rynek systemu spoiwa Cordis jest, uzyskanie
przy jego u yciu porównywalnej jako ci odlewów z jako ci odlewów na obecnie
stosowanych ju spoiwach organicznych.
Przy uwzgl dnieniu tych wszystkich zastrze e spoiwo zostało rozwini te wła nie
w ostatnich latach.
1
mgr in .
63
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
3. Od idei do rdzenia.
Koncepcja spoiwa Cordis została opracowana ju w latach 90-tych.
My l przewodni było to, eby urzeczywistni system wi zania z wod jako
jedynym rozpuszczalnikiem i całkowicie nieorganiczn osnow . To rozwi zanie jest
w cało ci zrealizowane w dzisiejszej generacji spoiw Cordis. Osnowa spoiwa tworzy si ,
w zale no ci od typu spoiwa z kombinacji grup fosforanów, krzemianów i boranów.
Celowe kombinacje i zmiany budowy osnowy spoiwa umo liwia regulowanie własno ci
poszczególnych typów spoiwa (rys 1). Do polepszenia własno ci stosuje si dodatki
nieorganiczne, albo wł czone do spoiwa albo jako dodatki przy produkcji rdzeni. Poprzez
kombinacje dodatków mo na regulowa wa ne parametry procesu jak płynno masy czy
trwało składowania rdzeni.
a)
64
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
b)
Rys. 1a,b: Zdj cia z mikroskopu skaningowego wi za dwóch ró nych typów spoiw Cordis.
Przy zastosowaniu spoiwa nieorganicznego du e znaczenie ma jednorodno masy.
Masa powinna, wi c by przygotowywana na odpowiedniej do tego celu mieszarce.
Do produkcji rdzeni mo na stosowa praktycznie wszystkie znajduj ce si na rynku
strzelarki do rdzeni (pod warunkiem, e mo na zastosowa w nich podgrzewanie
rdzennicy).
4. Produkcja rdzeni.
W celu wykonania rdzenia masa zostaje wstrzelona do gor cej rdzennicy.
Temperatura rdzennicy wynosi zale nie od geometrii rdzenia od 120 do 160 0C. Nale y
dba o równomierne nagrzanie rdzennicy. Po wprowadzeniu masy na bazie wodnego
spoiwa do rdzennicy, tworzy si skorupa wzdłu zewn trznego obrysu rdzenia
(rys. 2).Ten pierwszy krok utwardzania polega na procesie suszenia, przy którym z rdzenia
usuwana jest wilgo pochodz ca z rozpuszczalnika wodnego. Jest to czysto fizyczny
proces utwardzania. Dodatkowo mo na, zale nie od u ytego typu spoiwa Cordis,
zastosowa chemiczny proces utwardzania. W wyniku otrzymuje si wy sz wytrzymało
przy wyjmowaniu rdzenia z rdzennicy ni przy czysto fizycznym procesie utwardzania
(suszenie).
W zale no ci od u ytego piasku i typu spoiwa Cordis osi ga si wytrzymało ci na
zginanie na zimno 350 - -550 N/cm2 przy zawarto ci spoiwa od 1,5 – 3 %.
65
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
Rys. 2. Tworzenie si skorupy na rdzeniu rury ss cej ze spoiwem Cordis,
bezpo rednio po wyj ciu z maszyny.
Utwardzanie mo na wyra nie przyspieszy przez przedmuchiwanie rdzenia gor cym
powietrzem. To przedmuchiwanie prowadzi do lepszego nagrzania masy rdzeniowej
i odprowadza równie skutecznie wod powstaj c w rdzeniu podczas procesu suszenia.
Czas utwardzania rdzeni nieorganicznych zale y w du ym stopniu od ich geometrii
i od zastosowanych rdzennic. Im wi kszy i bardziej zwarty rdze tym trudniejsze jest jego
utwardzenie.
Mo na, wi c przy u yciu spoiwa Cordis, ze wzgl du na jego dobr płynno
produkowa rdzenie o cienkich przekrojach, jak np. rdzenie koszulki wodnej, rdzenie
bloku silnika, cz ci podwozia. Rdzenie kolektora ss cego pokazane na (rys. 3), oraz
rdzenie wachacza tylnej osi (rys. 4) produkowane s seryjnie.
66
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
a)
b)
Rys.3.a,b Rdze Cordis, odlew z rdzenia Cordis
67
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
Rys. 4. Rdze odlewu wahacza tylnej osi motocykla. Masa rdzenia wynosi 3,8 kg.
5. Pokrycia.
Przy odlewach aluminiowych rdzenie wykonane na bazie spoiwa Cordis mog by
zalewane w stanie nie pokrytym. Je eli jednak zastosowanie pokrycia jest konieczne,
rdzenie mog by pokrywane zarówno pokryciem alkoholowym jak i wodnym. Podobnie
jak rdzenie organiczne równie rdzenie nieorganiczne trac w niewielkim stopniu
wytrzymało w porównaniu do rdzeni niepokrytych. Pokrycia wodne daj przy tym
wi ksz utrat wytrzymało ci ni alkoholowe.
6. Składowanie rdzeni.
Szczególn
uwag
przy u yciu spoiw nieorganicznych nale y zwróci
na składowanie rdzeni wykonanych przy ich zastosowaniu. Ze wzgl du na ich hydrofilowe
własno ci (rozpuszczalnikiem spoiwa jest woda), s one szczególnie czułe na wysok
wilgotno powietrza. Rdzenie nieorganiczne nie powinny by , zatem składowane przez
dłu szy czas na wolnym powietrzu ani niewystawiane na działanie bardzo wilgotnego
powietrza.
Przy opracowaniu systemu spoiw Cordis przebadano mo liwo ci składowania rdzeni
próbnych w zwykłych komorach klimatyzacyjnych wzgl dnie wilgotno ciowych. Rdze
próbny był przy tym składowany w okre lonej wilgotno ci powietrza, a nast pnie były
badane jego własno ci. W badaniach laboratoryjnych rdzenie Cordis okazały si ,
w porównaniu z innymi spoiwami nieorganicznymi, najbardziej odporne na działanie
podwy szonej wilgotno ci powietrza. (rys. 5). Rdzenie Cordis mog by składowane przez
24 godziny przy wysokiej wilgotno ci wzgl dnej powietrza i trac przy tym tylko jedn
trzeci swojej wytrzymało ci.
68
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
Rys. 5 Testy składowania rdzeni Cordis w komorze klimatyzacyjnej o wysokiej wilgotno ci
wzgl dnej powietrza.
7. Od rdzenia Cordis do odlewu.
Jeszcze wyra niej ni przy produkcji rdzeni, przyjazne dla otoczenia spoiwa
nieorganiczne okazuj si przy zalewaniu rdzeni. Tak został zalany grawitacyjnie w kokili
kompletny pakiet rdzeni głowicy cylindrowej. Podczas zalewania nie stwierdzono
powstawania ani ciemnego dymu ani zapachu. Ponadto nawet po wielu zalaniach nie
stwierdzono w kokili tworzenia si kondensatu.
Szeroko rozpowszechniony jest pogl d i ci gle na nowo dyskutowany temat,
e w przeciwie stwie do rdzeni wi zanych organicznie rdzenie nieorganiczne mog by
zalewane bez uderze gazowych. Badania przeprowadzone w firmie Huttenes-Albertus
wykazały jednak, e nawet przy rdzeniach wi zanych nieorganicznie obserwuje si
uderzenie gazowe. Szczególnie wyrazista jest tutaj zale no uderzenia gazowego od
ziarnisto ci u ytego piasku. Przy zastosowaniu grubego piasku (AFS 43) obserwuje si
znacznie mniejsze uderzenie gazowe ni przy u yciu drobnego piasku (AFS 74) (rys. 6).
Poniewa obie badane próbki zawierały identyczne ilo ci spoiwa, bardzo wyra ny był
wpływ ziarnisto ci piasku na wysoko tworz cego si ci nienia gazu. Rdzenie Cordis
wykazuj inn charakterystyk , je eli chodzi o powstawanie uderze gazowych ni rdzenie
wi zane organicznie. Podczas gdy rdzenie hot-box natychmiast po zetkni ciu z metalem
zaczynaj w sposób ci gły wydziela gaz, rdzenie nieorganiczne dopiero po trzydziestu do
czterdziestu sekundach wykazuj wyra ny wzrost ci nienia, które po osi gni ciu
maksimum natychmiast spada (rys. 7).
69
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
Rys. 6. Porównanie krzywych ci nienia gazu dwóch rdzeni Cordis o ró nej ziarnisto ci piasku:
drobny piasek AFS 74 i gruby piasek AFS 43
Rys. 7. Porównanie uderzenia gazowego rdzeni hot-box i Cordis
Obok ju opisanych pozytywnych do wiadcze przy zastosowaniu rdzeni Cordis
w grawitacyjnym odlewaniu kokilowym aluminium mo na osi gn tak e bardzo dobre
wyniki przy zastosowaniu w niskoci nieniowym odlewaniu aluminium oraz odlewaniu
aluminium do form wilgotnych.. Otrzymywane przy tym powierzchnie odlewów
s porównywalne lub lepsze ni wyniki odlewania z u yciem rdzeni wi zanych
organicznie.
70
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
SPOIWO NIEORGANICZNE CORDIS
- WŁASNO CI I DO WIADCZENIA
Wybijanie rdzeni z odlewów odbywa si bez problemu na b d cych ju w u yciu
urz dzeniach do wybijania, przy czym rdzenie mog by wybijane z odlewu bez
uprzedniej obróbki cieplnej.
Przy stosowaniu piasków regenerowanych nale y zwróci uwag na oddzielanie
piasków ze spoiwami organicznymi od nieorganicznych, ze wzgl du na ró n
charakterystyk spoiwa.
8. Podsumowanie.
Osi gni to ju wysoki poziom zastosowania spoiw nieorganicznych w produkcji
rdzeni. Nale y jednak jasno stwierdzi , e zdolno produkcyjna spoiw organicznych
(wykonanie i składowanie rdzeni) nie została jeszcze całkowicie osi gni ta.
Spoiwa nieorganiczne s na drodze przełomu. Nie mo na tu wprawdzie niedocenia
ponoszonych nakładów i wymaga stawianych maszynom i narz dziom. Pomy lne
wprowadzenie spoiw nieorganicznych w stosunku do dotychczasowych spoiw
organicznych wymaga zmiany sposobu my lenia.
9. Literatura.
1. Przyjazne rodowisku spoiwa nieorganiczne do produkcji form i rdzeni,
Wuppertal14.11.2002: Geisserei 90 (2003) Nr 10 str. 42 – 46
2. M. Franken Giesserei (2003) nr 6 str 182 – 184
3. Gisserei – rundschau nr.52 Dypl. Klaus Löchte, Ralph Boehm
71