ODLEWNICZE MASY Z BENTONITAMI

Solidification ofMetals and Alloys, No. 35, 1998
Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 35, 1998
PAN - Oddział Katowice
PL-ISSN 0208-9386
35/10
STANISŁAW M . DOBOSZ", MACIEJ ASLANOWicz··
ODLEWNICZE MASY Z BENTONITAMI- JAKOŚĆ A WYMAGANIA
Streszczenie
W artykule przeanalizowano wymagania stawiane odlewniczym masom z bentonitem pod
względem jakośc i bentonitu, obejmujące : właściwości teclmologiczne mas w temperaturze
otoczenia i temperaturze podwyższonej , cieplną i chemiczną cleaktywację lepiszcza decydującą o
trwałości mas, a także mo:1:liwość wprowadzania bentonitu do mas w postaci mieszanek z
dodatkami wydzielaj ącymi węgiel błyszczący.
l.
Aktualny
wskazują, że
stan
WPROW ADZENIE
odlewnictwa
oraz
tendencje
rozwojowe jednoznacznie
tak jak i obecnie tak i w przyszłości podstawowym tworzywem na
jednorazowe formy odlewnicze będą syntetyc7ne masy z bentonitami [3,6].
Wymogi stawiane tym masom będą jednak coraz wyższe . Wynika to głównie z
dominacji procesów formowania które zapewniają wysoki stopień zagęszczenia,
to jest prasowanie pod wysokimi naciskami czy formowanie impulsowe.
W ysoki stopień zagęszczenia a przez to i niska przepuszczalność masy
wywołują
potrzebę
zmnieJszenia gazotwórczości masy czyli głównie
minimalizację wilgotności . Stąd stosowanie tzw. mas półsuchych o wilgotności
poniżej
3%.Warunkiem tak niskiej wilgotności jest zastosowanie niskiej
zawartości bentonitu . Potrzeba uzyskania wysokiej wytrzymałości masy przy
niskiej zawartości bentonitu oraz małej osypliwości przy niskiej wilgotności ,
wymusza potrzebę stosowania wysokiej jakości bentonitów.
Mając na uwadze wysokie, w krajowym odlewnictwie, zużycie piasku
kwarcowego na tonę dobrego odlewu wynoszące aktualnie 700-900 kilogramów,
podczas gdy w przodujących krajach jest ono znacznic niższe : Szwajcaria - 300
kg, Niemcy - 300 kg, Stany Zjednoczone - 670 kg, problem jakości bentonitu
urasta do głównych zadań polskiego odlewnictwa [7] .
W tym układzie uwarunkowania technologiczne uzupełniają się o cele
ekonomiczne a uwzględniając aspekty ekologiczne potwierdzają główną zasadę,
Dr hab. in ż . Stanisław M. Dobosz - Wydział Odlewnictwa AGH , Kraków
•. Mgr inż. Maciej Asłanowicz - PPU FERRO - TERM , Łódź
84
że
masajest tym lepsza im mniej zawiera
przeanalizować
materiałów wiążących
[4]. Warto zatem
wymagania jakimi powinny odpowiadać współczesne bentonity.
2. WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE MAS W TEMPERA TURZE OTOCZENIA
Dla praktyki odlewniczej najważniejsze są jednak właściwości technologiczne.
z nich oznacza się w temperaturze pokojowej. Pewne wątpliwości wzbudza
sposób ich oznaczania, zgodnie z PN-85/H-11003 . Mówi ona, że wykonuje się je
na masie wzorcowej zawierającej 7% badanego bentonitu przy wilgotności masy
3,5% (± 0,02%) . Jak wiemy bentonity mają znacznie zróżnicowany skład
chemiczny, różną zawartość montmorylonitu, różne pochodzenie geologiczne co
powoduje, że zróżnicowana jest wilgotność przy której otrzymuje się maksimum
wytrzymałości . Wartość wilgotności 3,5% dla jednych mas będzie leżała przed
maksimum a dla innych po maksimum. Trudno w takich warunkach porównywać
sil<;: wiązania poszczególnych rodzajów bentonitu i dlatego może to prowadzić do
formułowania niewłaściwych wniosków. Wydaję się, że bardziej prawidłowe
byłoby wyznaczanie pełnej charakterystyki zmian wytrzymałości w funkcji
wilgotności masy i porównywanie wartości maksymalnych.
Warto
jednak
przyjrzeć
się
uzyskiwanym
właściwościom
wytrzymałościowym. Szerokie badania porównawcze - zgodnie z wymogami
polskich norm - dostępnych na rynku krajowym bentonitów (oczywiście nie
wszystkich) przeprowadził M.Pawlak [4]. Najwyższymi z przebadanych
właściwościami wytrzymałościowymi charakteryzował się bentonit Geko S (SudChemie A.G.- Niemcy) a najniższymi bentonit Zębiec-aktywowany (ZGM
Zębiec- Polska) . Wartości Rew wynosiły odpowiednio: 0,089 MPa i 0,046 MPa.
Analogiczne wyniki otrzymano dla pomiarów Rmw które wynosiły: 0,014 MPa i
0,006 MPa. Masa z bentonitem Geko S charakteryzowała się także najniższą
osypliwością oraz najwyższą przepuszczalnością i najlepszą wybijalnością.
Jednocześnie bentonit Geko S mial najwyższą zawartość montmorylonitu(- 90%)
a bentonit Zębiec - aktywowany, najniższą zawartość montmorylonitu (64%) ze
wszystkich analizowanych rodzajów bentonitu.
Sugeruje to, że właściwości wytrzymałościowe masy w temperaturze
otoczenia są tym wyższe im większa jest zawartość montmorylonitu a nie fakt, że
jest to bentonit sodowy, naturalny lub aktywowany.
Fotwierdzeniem powyższych wniosków mogą być badania A. Balińskiego i M.
Szolca [l] . Autorzy porównywali masy z bentonitami: Coclay, Bułgarski, Czeski,
Zębiec, Dolbcnt i Surowiec do produkcji Dolbentu. Była to grupa bardzo
zróżnicowanych rodzajów bentonitu. Coclay jest klasycznym bentonitem
sodowym, Dolbcnt zwietrzeliną bazaltową, Zębiec bentonitem karbońskim a
Surowiec minerałem wyjściowym nie poddanym jeszcze procesowi wymiany
jonowej . Pomimo tego najniższe wytrzymałości wykazała masa z bentonitem
Zębiec o najniższej ze wszystkich badanych zawartości montmorylonitu (-51%) .
Cz<;:ść
85
Klasyczny, sodowy bentonit Coclay (70% montmorylonitu) miał wytrzymałości
od bentonitu bułgarskiego (78%), Dolbentu (75%) a nawet Surowca
(71 %).
W świetle powyższych obserwacji warto zastanowić się nad skutkami jakie
wywołuje
aktywacja bentonitu na właściwości technologiczne mas w
temperaturach pokojowych. Powszechnie twierdzi się, że bentonit aktywowany a
przede wszystkim naturalny bentonit sodowy ma większą zdolność pęcznienia i
większą zdolność wiązania w zakresie wilgotności roboczej . Częściowe
wyjaśnienie tego problemu dają zależności przedstawione na rysunku l .
Przedstawia on schematycznie zmianę wytrzymałości masy w funkcji wilgotności ,
wyrażanej jako krotność wilgotności optymalnej, dla mas z bentonitem sodowym i
bentonitem wapniowym [4,8].
niższe
~
...l
•
~
c
!
.......•
J
maaa z bentonl, tam wapniowym
.
Rys. l. Schemat wpływu aktywacji bentonitu na wytrzymałość masy w temperaturze otoczenia [4,8]
Fig. l. The influence ofbentonite's sort on the value o f irreversibłe dehydration's start and finish
temperature [4,8]
Jak widać bentonit aktywowany nie daje wzrostu maksymalnej wytrzymałości
w zakresie wilgotności roboczej . Przy tej wilgotności o wytrzymałości decydują
wiązania powierzchniowe. Według przedstawionej hipotezy masy z bentonitem
sodowym (naturalnym lub aktywowanym) osiągają w wyniku dodatkowych
wiązań mostkowych przyrost wytrzymałości, ale przy znacznie wyższej
wilgotności niż wilgotność robocza. Zwiększenie wilgotności powyżej wartości
optymalnej dla mas z bentonitem nie aktywowanym powoduje szybki spadek
W)trzymalości , gdyż same siły powierzchniowe mają mały zasięg oddziaływania i
obok wody sztywno związanej pojawia się woda swobodna. Dla mas z bentonitem
86
mostkowe zmmeJszają intensywność
mniej czulą na przewiłżenie. Spadek
wytrzymałości ze wzrostem wilgotności jest tym mniejszy im większa jest
pojemność wymiany jonowej bentonitu. Maksymalne oddziaływanie wiązań
mostkowych występuje dopiero przy wilgotności trzykrotnie przekraczającej
wilgotność optymalną a zatem ma nicwielkie praktyczne znaczenie dla
właściwości wytrzymałościowych mas w temperaturze otoczenia.
Oddziaływanie to objawia się natomiast w temperaturach podwyższonych . I
tak może ono mieć duże znaczenie dla podwyższenia wytrzymałości w strefie
przewilżonej , której wartość decyduje między innymi o dokładności wymiarowej i
skłonności do powstawania wad odlewniczych takich jak: żyłki . strupy i blizny.
Zdolność do wymiany jonowej, wynosząca 70-120 mval/1 OOg, dająca możliwość
zamiany na pozycjach wymiennych kationów Ca+2 lub Mg+2 na kationy Na+,
jest cenną właściwością bentonitu, ale decydującą o innych parametrach masy niż
te oznaczane w temperaturze otoczenia.
A zatem dla osiągnięcia wysokiej wytrzymałości masy w temperaturach
otoczenia należy dobierać bentonity o wysokiej zawartości montmorylonitu. W
przypadku braku takich złóż stosuje się operację uszlachetniania czyli
wzbogacania minerału kopalnego w czysty montmorylonit. Miarą zawartości
aktywowanym
dodatkowe
obniżania się wytrzymałości
montmorylonitu jest tzw.
Bardzo
minerału
ważny
dla
obejmujący
sorpcyjnych
zdolności
wiązania
i
czynią masę
wskaźnik
metylowy.
końcowej jakości
bentonitu jest także sam proces przeróbki
suszenie i mielenie a mający na celu zwi ększenie
bentonitu.
3. WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE MAS W TEMPERA TURZE PODWYŻSZONEJ
Duże znaczenie dla jakości masy ma wytrzymałość w podwyższonych
temperaturach. Powinna ona być odpowiednio wysoka aby nagrzana masy
wytrzymała nacisk cieklego metalu a jej maksimum musi występować w takich
temperaturach aby nie powodowało pęknięć na gorąco . Dla dobrej klasy
bentonitów wartości Rc1 wynoszą około 4,0-4,5 MPa, a maksimum to występuje
w temperaturze około 850°C .
Bardzo ważne dla trwałości mas jest określenie temperatury początku i końca
nicodwracalnej clehydratacji bentonitu . Decyduje ono o szybkości przechodzenia
bentonitu w postać lepiszcza nieaktywnego co z kol ei wymusza potrzebę
zwiększania stopnia odświeżania masy. Związane jest to z przebiegiem nisko i
wysokotemperaturowych
endotermicznych
reakcji
clehydratacji
wody
adsorpcyjnej i clehydratacji montmorylonitu a także innych minerałów zawartych
w bentonitach. Reakcje te są bardzo złożone a ich przebieg uzależniony od składu
i pochodzenia geologicznego bentonitu. Dla jakości mas najważniejsze są:
87
szybkość
procesów dehydratacyjnych i zakres temperatur odpowiadających
początkowi i końcowi clehydratacji nieodwracalnej.
Sądzi się, że szybkość clehydratacji w temperaturach do l 00 °C wpływa na
wielkość osypliwości masy. Potwierdzają to badania opisane w publikacji [l],
gdzie masy z bentonitami charakteryzującymi się niską wartością ciepła reakcji
endotermicznej a zarazem małą szybkością clehydratacji miały niższą osypliwość .
Autorzy przypisują to silniejszemu połączeniu dipoli wody z cząsteczkami
bentonitu .
Poddanie bentonitu oddziaływaniu wysokiej temperatury cieklego stopu
odlewniczego prowadzi do cieplnej destrukcji montmorylonitu i przejściu w fazę
lepiszcza nicaktywnego. Występuje ono w postaci pyłu oraz warstewki
zoolityzowanej na ziarnach osnowy piaskowej . Powoduje to obniżenie
temperatury spiekania, zmniejszenie przepuszczalności oraz zwiększenie
skłonności do powstawania wad. Wielkość tej destrukcji zależy od temperatury
zalewania metalu oraz stosunku masy formierskiej do metalu w formie
odlewniczej. W każdej postaci wywiera jednak niekorzystny wpływ na
właściwości
technologiczne masy i zmusza do bardziej intensywnego
odświeżania. Różne rodzaje bentonitów mają odmienną odporność na działanie
wysokich temperatur. Wyrazem tego jest zakres temperatur początku i końca
clehydratacji nieodwracalnej . Oczywiście najważniejsza jest temperatura początku
dcaktywacji, im jest ona wyższa tym większa odporność bentonitu i tym lepsza
jakość lepiszcza. Temperatura końca procesu rozkładu powinna być jak
naj wyższa . Analiza wartości tych temperatur wskazuje jednak na istnienie pewnej
prawidłowości . Bentonity które mają niską temperaturę początku rozkładu
lepiszcza mają jednocześnie wyższą temperaturę końca tego procesu. Przebieg
takich zależności pokazuje rysunek 2.
Od lokalnych uwarunkowań takich jak asortyment produkcji (temperatura
zalewania i obciążenie cieplne formy) oraz organizacyjna strona procesu
produkcyjnego uzależniona musi być decyzja technologa w sprawie wyboru
odpowiedniego rodzaju bentonitu .
Znaczny wpływ na omawiane procesy ma jednak zawartość montmorylonitu
oraz odmienna budowa krystalograficzna a także występujące w mineralach
zanieczyszczenia. Duże znaczenie ma też sposób realizacji technologii. W
nowoczesnych rozwiązaniach dominują tendencje do zwiększania obciążenia
cieplnego formy oraz skracania czasu obiegu masy w cyklu produkcyjnym a
także skracanie czasu przebywania odlewu w formie [2] . O ile dwie pierwsze
tendencje są wynikiem dążenia do poprawy ekonomicznej strony technologii i
trudno ich nie akceptować to skracanie czasu przebywania odlewu w formie a
przez to ograniczenie nagrzewania masy uznać trzeba za niezbędne działania dla
zwiększania trwałości masy.
88
1- COCLAY 2- ZĘBIEC 3- CZESKI 4- DOLRENT
5- BULGARSKI 6- SUROWIEC
Rodzaj bentonitu
rodzaju bentonitu na wartość temperatur początku i km1ca clehydratacji
nieod·wracalncj [l l
Fig.2.The schem ofinfluence ofbentonite's activation on the sand's resistance in surrounding's
temperaturc. [l l
Rys. 2.
Wpływ
W czaste zalewania form oprócz destrukcji cieplnej dochodzi dodatkowo do
destrukcji chemicznej. Jest ona spowodowana oddziaływaniem produktów
destrukcji cieplnej składników mas rdzeniowych oraz dodatków wprowadzanych
do mas formierskich. Bardzo często są to produkty rozkładu pyłu węglowego lub
innych dodatków węglotwórczych . Znaczną rolę w tych procesach odgrywają
produkty rozkładu mas rdzeniowych. Substancje te mogą cleaktywować zawarty
w masie bentonit. Innym sposobem ich oddziaływania jest tzw. zjawisko "cover".
Polega ono na wytwarzaniu wokół aktywnych cząstek bentonitu niezwilżalnych
warstewek które izolują lepiszcze od wody, uniemożliwiając jego pęcznienie .
Reasumując przedstawione rozważania można stwierdzić, że warunkiem
otrzymania wysokiej jakości masy formierskiej jest zastosowanie dobrego
bentonitu tzn. zawierającego jak najwyższą zawartość sodowego (naturalnego lub
aktywowanego) montmorylonitu. Przykładem takich bentonitów mogą być
produkty firmy Sud-Chemie: bentonity GEKO P, GEKO S oraz GEKO
Optimum. Dwa pierwsze to pochodzące z Grecji i Sardynii bentonity aktywowane
o zawartości montmorylonitu ok. 90% i wskaźniku metylowym 390 mg/g. Dają
one wytrzymałości na ściskanie na wilgotno (dla masy o zawartości 5 cz.wag.
bentonitu) odpowiednio: 0,084 i 0,09 MPa a wytrzymałość na rozciąganie 0,020 i
0,019 MPa. Bentonit GEKO Optimum jest hybrydowym bentonitem o zawartości
montmorylonitu 95% i wskaźniku metylowym 430 mg/g. Daje on wytrzymałości :
Rew= 0.15 MPa a Rmw = 0,023 MPa. Stosując tego rodzaju bentonity można
znacznie zmniejszyć zawartość lepiszcza w masie i ograniczyć stopień
89
odświeżania, zapewniając jednocześnie odpowiednie właściwości technologiczne
mas . Ważnym zagadnieniem jest także odporność fonny na erozyjne działanie
cieklego metalu oraz wybijalność, także ściśle uzależnione od rodzaju i
zawartości bentonitu .
4. MIESZANKI BENTONITÓW ZE ŚRODKAMI WĘGLOTWÓRCZYMI
Jak już wspomniano do mas z bentonitami powszechnie (dla mas do odlewów
stosuje się dodatki przeciwdziałające przypalaniu się masy do
powierzchni odlewu . Są to dodatki węglowe (pyl węglo~), coraz częściej
uzupełniane o dodatki nie węglowe ale posiadające dużą zdolność do tworzenia
węgla błyszczącego . Nowoczesną tendencją jest wprowadzanie tych dodatków w
postaci mieszanki z bentonitem. Zaletą takiego rozwiązania jest:
• łatwiejsze składowanie i transport,
• dokładniejszy sposób dozowania,
• tylko jedno urządzenie dozujące,
• uniknięcie niebezpieczeństwa wybuchu,
• ograniczenie samoutlenienia.
• oszczędność bentonitu i środków tworzących węgiel błyszczący.
Firma Sud-Chemie oferuje wyselekcjonowany pyl węglowy pod nazwą ECOSIL oraz
mieszanki :
- bentonitu z pyłem węgłowym, np. ECOSIL S 82- oznacza mieszankę
zawierającą 82% bentonitu i 18% pyłu węglowego,
- bentonitu z pyłem węglowym i środkiem o dużej zdolności tworzenia
węgla błyszczącego, np . ECOSIL 12 R 30 - oznacza mieszankę
zawierającą 30% bentonitu, 58% pyłu węglowego i 12% gilsonitu,
- bentonitu z pyłem węglowym, środkiem o dużej zdolności tworzenia
węgla błyszczącego i grafitu, np. ECOSIL D 0603 S 70- oznacza
mieszankę zawierającą 70% bentonitu, 21% pyłu węglowego, 6%
gilsonitui 3% grafitu .
Mieszanki produkowane są o różnym składzie a także dostarczane na
indywidualne zamówienia odlewni . Produkty te stosowane są w kilku odlewniach
krajowych i uzyskały dobre opinie technologów. Wszystkie te działania idą w
kierunku uproszczenia procesu przygotowywania mas i maksymalnego
zmniejszenia stopnia odświeżania . Najlepsze wyniki osiąga się przy stosowaniu
bentonitu GEKO Optimum. Badania przeprowadzone w Laboratoriach GekoSerwis i Instytucie Ecosil wykazały, że w całym, bardzo szerokim zakresie
stopnia odświeżania masy obiegowej świeżym piaskiem kwarcowym, dodatek
bentonitu GEKO OPTIMUM zape·wniał najwyższe W)trzymałości masy,
najniższą wilgotność , największą odporność na erozję a przy założonych
wartościach wytrzymałości mial najniższą wartość [9] .
żeliwnych)
90
5. PODSUMOW ANIE
Przedstawione w niniejszym opracowaniu rozważania dotyczą wymagań jakie
stawia się nowoczesnym bentonitom odlewniczym. Wykazały one, że właściwości
technologiczne mas w temperaturach otoczenia - a głównie wytrzymałość - są
uzależnione od zawartości montmorylonitu a w małym stopniu od rodzaju
bentonitu (sodowy-wapniowy) . Im wyższa zawartość montmorylonitu tym
wyższa wytrzymałość . Rodzaj bentonitu ma natomiast decydujący wpływ na
właściwości mas w podwyższonych temperaturach . Decyduje o wytrzymałości w
strefie przewilżonej, odporności na działanie ciekłego stopu odlewniczego,
odporności na erozję i wybijałoość masy. Właściwości te zależą jednak od składu
chemicznego, budowy krystalograficznej i zawartości innych minerałów.
Stosowanie bentonitów sodowych lub aktywowanych o wysokiej zawartości
montmorylonitu zapewnia uzyskanie odpowiednich właściwości wytrzymałoś­
ciowych przy niższej zawartości lepiszcza a przez to przyczynia się do
zmniejszenia stopnia odświeżania masy i poprawy innych parametrów masy jak:
wybijalność, przepuszczalność . temperatura spiekania itd. Przyczynia się do
optymalizowania składu masy. Celowym staje się także wprowadzanie dodatków
węglotwórczych w postaci jednorodnej mieszanki z bentonitem. Oprócz
znacznego usprawnienia tej operacji
dodatku a przez to jego
umożliwia
efektywniejsze wykorzystanie
minimalizację .
LITERATURA
Baliński A., Szale M .: Wpływ procesów hydratacyjno-dehydratacyjnych na właściwości
technologiczne mas formierskich z udziałem rómych bentonitów. Materiał y Sympozjum
Międzynarodowego "Sud-Chemii pomoZe Ci", Wisła, 1997
[2] Gawroń ski J., Cholewa M., Szajnar J. : Bentonity ukraiń skie jako uzupełnienie bentonitów
n Sympozjum , ,Materiały pomocnicze w
greckich - mieszanki bentonitowe. Materiały
odlewnictwie i metalurgii" Politecłmika Śląska, Katowice 1995, s.45-51
[3) Hubbard M.: What makes a good foundry sand. Faun .. Tr. Jam., 1994, t.l68, z. 3492s . l39-148
[4 J Lewandowski J.L. : Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997
[5] Pawlak M .: Badania porównawcze wzorcowych mas fonnierskich z rómymi rodzajami
bentonitów. Materiały n Sympozjum , ,Materiały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii"
Politechnika Śląska, Katowice 1995, s. 52-60
(6] Piaskowski J. i inni : Odlewnie XXI wieku. Mat. Konf. Nauk.-Techn. I. O. Kraków 1996, s. 1-9
[7] Robak H. i inni : Technologia regeneracji bentonitowych mas formierskich w Exbud -.Odlewnia
Żeliwa S.A. Łódź, Materiały Międzynarodowej Konferencji ,,Regeneracja osnowy z rómych mas
formierskich i rdzeniowych". Wisła 1996
[8) Smirnov i itmi : Trans. Amer. Foundryrnen's Soc. Proc. 841h Annu. Mcct. St. Louis, Miss.
88. 1980,s.659-682
(9) Raporty Laboratorium Geko-Serwis i Instytutu Ecosil, Moosburg Niemcy
[l)
Recenzent: dr hab. inż . Tadeusz
Mikulczyński
91
Stanisław M. Dobosz
Maciej Aslanowicz
Foundry sands with bentonite- quality and rcquircmcnts
Sununary
The article analyscs the requircments, set to foundry sands with bcntonite with regard to quality
of bentonite, that includes: technological properties of sands in the surrounding's temperature
and in the increascd temperature, thennal and chemical clay's dcactivation, deciding about
mould's durability; and also a possibility of putting a bentoni te in to sands in the form o f mixturc
with additions, that sccrete a lustrous carbon.