WPŁYW OBNIŻONEJ TEMPERATURY NA ZWILŻALNOŚĆ

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 27 nr 1
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2007
BARBARA HUTERA * , KRZYSZTOF SMYKSY ** , DARIUSZ DROŻYŃSKI**
WPŁYW OBNIŻONEJ TEMPERATURY
NA ZWILŻALNOŚĆ OSNOWY
PRZEZ SPOIWA MAS FORMIERSKICH ***
W artykule przedstawiono wyniki badań zwilżalności kwarcu przez wybrane spoiwa mas formierskich. Porównano wyniki pomiarów dynamicznego kąta zwilżania wybranych spoiw w temperaturze 20°C, umownie określonej jako temperatura otoczenia, i temperaturze obniżonej do
10°C. Opisano wersję prototypowego aparatu przeznaczonego do powyższych badań. Przedstawiono propozycję analitycznego opisu czasowych zmian dynamicznego kąta zwilżania. Zwrócono
uwagę na znaczenie przedstawionej problematyki dla praktyki przemysłowej.
Słowa kluczowe: odlewnictwo, masy formierskie, właściwości spoiw, zwilżalność
1. WSTĘP
W odlewnictwie jako spoiwo masy formierskiej stosowane są materiały o różnorodnych właściwościach fizykochemicznych. Różnorodność spoiw jest przyczyną wykorzystywania zróżnicowanych metod badawczych w celu oceny ich
kompleksowych właściwości, które decydują o technologicznych właściwościach
sporządzonej masy formierskiej, a w konsekwencji o jakości wykonywanych odlewów [12]. Oczywisty jest związek uzyskanych parametrów masy z procesem jej
przygotowaniem. Istotna jest kolejność dozowania ciekłych składników, czas mieszania oraz parametry mieszarki. Podczas sporządzania masy występują złożone
fizykochemiczne zjawiska na granicy faz. Ich przebieg jest uwarunkowany parametrami osnowy piaskowej i spoiwa [7, 8]. Istotne są: energia powierzchniowa,
zależna od stopnia rozwinięcia i morfologii powierzchni osnowy, zdolność osnowy do zwilżania przez ciecz, lepkość oraz napięcie powierzchniowe zastosowanego spoiwa [5, 7]. Dobra zwilżalność osnowy i mała lepkość spoiwa zwiększają
prawdopodobieństwo powstawania połączeń nieotoczkowych pomiędzy osnową
* Dr
** Dr inż. Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
*** Badania wykonano w ramach projektu badawczego KBN nr 3T08 A 02226.
48
B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński
a materiałem wiążącym, nadających masie większą wytrzymałość w porównaniu z
połączeniami otoczkowymi [5, 6]. Lepkość i zwilżalność zależą istotnie od temperatury. Na powyższy parametr należy więc zwracać szczególną uwagę w planowaniu badań zwilżalności i lepkości spoiw [3, 4].
Wpływ warunków otoczenia na właściwości masy formierskiej podkreślany
jest w szeregu pracach [np. 6, 12, 13]. W praktyce przemysłowej zalecenia technologiczne odnośnie temperatury spoiwa i osnowy nie zawsze są dotrzymywane.
Dotyczy to szczególnie okresów zimowych, oddziaływanie obniżonej temperatury wywiera bowiem niekorzystny wpływ zarówno na zwilżalność osnowy, jak
i lepkość spoiwa [5, 6].
Poniżej przedstawiono, zmienioną w stosunku do wcześniej opisanej [10],
wersję prototypowego aparatu umożliwiającego badanie zwilżalności spoiw
także w obniżonej temperaturze. Zestawiono wyniki pomiarów kąta zwilżania
wybranych spoiw w temperaturze 20°C i w temperaturze obniżonej 10°C. Zaproponowano zmodyfikowane równanie dobrze opisujące czasowe zmiany kąta
zwilżania w szerokim zakresie. Wskazano możliwość skompensowania negatywnego wpływu obniżonej temperatury modyfikacją jego właściwości przez
wprowadzenie rozcieńczalnika. W porównaniu z wcześniejszymi publikacjami
[4, 6] zaprezentowano uśrednione wyniki obejmujące większa serię badań danego spoiwa (także w zmienionych warunkach temperaturowych) oraz wyniki
badań spoiwa epoksydowego z dodatkiem innego rozcieńczalnika.
2. OKREŚLANIE ZDOLNOŚCI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH
DO ZWILŻANIA OSNOWY W OBNIŻONEJ TEMPERATURZE
2.1. Metodyka badań
Zdolność do zwilżania osnowy ziarnowej przez spoiwo ocenia się na podstawie pomiaru kąta zwilżania [1, 2, 10]. Badanie prowadzi się w warunkach izotermicznych, przy czym obrazy kropli są rejestrowane do momentu osiągnięcia
równowagowego kąta zwilżania θR [7, 10]. Ze względu na proces sporządzania
masy formierskiej istotna jest nie tylko wartość kąta θR zwilżania, ale również
przebieg dynamicznych zmian wartości kąta zwilżania θ(τ) [9]. W celu uzyskania możliwie pełnej charakterystyki materiału wiążącego pod względem zwilżalności osnowy niezbędne są więc pomiary kąta zwilżania w szerokim zakresie
temperatury [3, 6, 10]. Jako modelową osnowę stosuje się płytki kwarcowe. W
badaniach zwilżalności duże znaczenie ma sposób przygotowania powierzchni
płytki, na której jest umieszczana kropla spoiwa. Dotyczy to zarówno makroskopowego stanu powierzchni podkładek oraz ich stanu fizykochemicznego
zależnego od stopnia oczyszczenia podkładki, ewentualnej aktywacji chemicznej
lub cieplnej ich powierzchni. Zagadnienia te opisano w pracach [4, 7, 8].
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej…
49
W przypadku układu materiał wiążący–osnowa mas formierskich czynnikiem,
który należy również brać pod uwagę, jest wilgotność powietrza [10, 13].
2.2. Prototypowy aparat do badania zwilżalności spoiw
Pomiary dynamicznych zmian kąta zwilżania wymagają rejestracji i przetwarzania dużej ilości obrazów. Umożliwia to automatyzacja pomiaru kąta zwilżania i
wykorzystanie komputerowych technik przetwarzania obrazów. W publikacji [10]
opisano pierwszą wersję prototypowego aparatu wyposażonego w komorę grzewczą umożliwiającą pomiary kąta zwilżania zarówno w temperaturze pokojowej,
jak i podwyższonej. Z uwagi na warunki, w jakich mogą być sporządzane masy
formierskie, celowe jest również prowadzenie badań w temperaturach obniżonych.
W nowej wersji aparatu zastosowano komorę o dwóch funkcjach: grzewczej i
chłodzącej (rys. 1). Podstawowe zespoły to: komora termiczna wyposażona w
moduł Peltiera, układ optyczny z elementem CCD, sterownik urządzenia oraz
system oświetlenia. Z urządzeniem współpracuje komputer PC. Zastosowane
oprogramowanie umożliwia przetwarzanie obrazu kropli i odczyt kąta zwilżania.
Rys. 1. Widok prototypowego aparatu do badania zwilżalności materiałów wiążących (wersja II);
1 – dwufunkcyjna komora aparatu (grzewcza lub chłodząca), 2 – układ optyczny z elementem
CCD oraz układem pozycjonującym, 3 – sterownik, 4 – układ oświetlający
Fig. 1. View of prototype apparatus for investigation of binding agents wettability (version II): 1 –
dual-action chamber of apparatus (heating or refrigeration), 2 – optical system with CCD element
and positioning system, 3 – controller, 4 – lighting system
2.3. Analiza obrazów kropli
Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe obrazy przetworzone programem
graficznym w celu wyeksponowania konturów zarejestrowanych obrazów. Zarysy konturów obrazu kropli umożliwiają określenie za pomocą specjalnego pro-
50
B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński
gramu prawo- i lewostronnego kąta zwilżania (ustalanego względem poziomej
linii odniesienia). Zagadnienia analizy obrazu w celu określenia kąta zwilżania
opisano m.in. w pracach [1, 11, 14].
a)
b)
c)
d)
Rys. 2. Przetworzone obrazy
kropli spoiwa epoksydowego
na
podkładce
kwarcowej,
temperatura w komorze aparatu- 10oC: a) początek rejestracji, b) po 2 min, c) po 4 min,
d) po 20 min
Fig. 2. Images (after processing) of drop of epoxy binder on
quartz plate; temperature in test
chamber 10oC: a) start of testing, b) 2 min. after start, c) 4
min. after start, d) 20 min. after
start
Analiza obrazów kropli spoiw pozwala stwierdzić, ich zbieżność z konturem
odcinka kuli. Na rysunku 3 przedstawiono przykładową analizę położenia
współrzędnych odczytanych z zarejestrowanego obrazu kropli z linią stanowiącą
kontur odcinka koła – zastosowano bezwymiarowy układ współrzędnych. Niewielkie odchylenia od zarysu teoretycznego występowały dla obrazów kropli
zarejestrowanych bezpośrednio po jej aplikacji na podkładkę i dotyczyły pomiarów prowadzonych w obniżonych temperaturach (rys. 3). Występuje wówczas
zróżnicowanie w oznaczonej (programowo) prawo- i lewostronnej wartości kąta.
Można to wytłumaczyć zwiększoną lepkością spoiwa (w obniżonej temperaturze) oraz procesem stabilizacji kropli bezpośrednio po jej aplikacji. Powyższe
rozbieżności, uwzględniwszy dokładność metody, można uznać za stosunkowo
niewielkie.
Pomiary (measurements)
Kontur odcinka kuli (outline of spherical segment)
y/R
0,4
0,2
0,0
-1,0
-0,8 -0,6
-0,4 -0,2
0,0
x/R
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rys. 3. Analiza obrazu kropli spoiwa
epoksydowego (rys. 2a)
Fig. 3. Analysis of image of drop of
epoxy binder (fig. 2a)
2.3. Wyniki pomiarów kąta zwilżania
Na rysunkach 4, 6, 7, 8 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów zmian
kąta zwilżania wybranych spoiw do momentu ustalenia się kąta równowagowe-
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej…
51
go. Starano się wyeksponować różnice występujące pomiędzy czasowymi wykresami zarejestrowanymi dla danego spoiwa w temperaturze umownie przyjętej
o
o
za pokojową: 20 C i obniżonej do 10 C. W większości wypadków serie były
kilkakrotnie powtarzane.
Ujęcie czasowych zmian kąta zwilżania θ(τ) w formie analitycznej jest
utrudnione. Pomimo monotonicznego charakteru krzywych opis danych doświadczalnych za pomocą standardowych funkcji analitycznych stosowanych do
opisu linii trendu (dostępnych w arkuszu kalkulacyjnym Excel) nie daje zadawalającej zgodności w całym zakresie przebiegu krzywych [9]. We wcześniejszej
pracy [6] do opisu zmian kąta zwilżania w początkowym okresie zastosowano
funkcję logarytmiczną. Wbrew oczekiwaniom otrzymanych wykresów nie opisuje również poprawnie cytowana w pracy [14] zależność:
cosθ (τ ) = cosθ R (1 − a ⋅ e −b⋅τ ),
(1)
w której: θ (τ ) − chwilowa wartość kąta zwilżania,
θ R − równowagowa wartość kąta zwilżania: θ R = θ (∞) ,
τ
− czas,
a, b − stałe.
Rozbieżności występują w początkowym, ważnym okresie zmian kąta zwilżania. Według równania (1) równowaga ustala się szybciej w porównaniu z danymi eksperymentalnymi.
Zaproponowana przez autorów modyfikacja równania (1) [9]:
cos θ (τ ) = cos θ R (1 − a ⋅ e −bx ⋅ τ )
(2)
gdzie a, bx − stałe, pozwala na oddanie zmienności kąta zwilżania w całym zakresie, zwłaszcza na granicach przedziału. Procedurę wyznaczania stałych równania opisano w pracy [9]. Linie ciągłe na rysunkach 4,6,7,8 opisane są za pomocą przekształconego równania (2):
(
)
θ (τ ) = arccos cos θ R (1 − a ⋅ e −bx ⋅ τ ) .
(3)
Wysokie współczynniki korelacji zamieszczone na wymienionych wykresach
świadczą o poprawnym opisie danych pomiarowych.
Dodatkową korzyścią z analitycznego opisu wyników pomiarów kąta zwilżania jest możliwości oceny szybkości zmian kąta na podstawie pochodnej dθ/dτ
(co jest łatwiejsze w porównaniu z numerycznymi procedurami różniczkowania
wykresów eksperymentalnych). Przykładowe wykresy dla spoiwa epoksydowego (rys. 4) przedstawiono na rys. 5. Charakterystyczna jest duża dynamika
zmian kąta w początkowym okresie, zarówno w temperaturze pokojowej jak
i obniżonej. Analiza powyższych wykresów może być dodatkowym kryterium
oceny właściwości spoiwa.
52
B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński
65
Pomiary (measurements)-283 K
Model; kr=0,993
Pomiary (measurements)-293 K
Model; kr=0,998
Kąt zwilżania θ; stopnie
55
45
35
25
0
20
40
60
80
100
120
Czas pomiaru τ; min
Rys. 4. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: epidian 5, temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki – kwarc
Fig. 4. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: epoxy resin (epidian 5), temperature: 283
and 293 K, plate material – quartz
0
0
0,5
1
1,5
2
dθ/dτ; stopnie/min.
-2
-4
-6
293 K
283 K
-8
-10
Czas pomiaru τ; min.
Rys. 5. Zależność pochodnej kąta zwilżania dθ/dτ od czasu τ; spoiwo: epidian 5, temperatura: 283
i 293 K, materiał podkładki – kwarc
Fig. 5. Time (τ) dependence of derivative of wetting angle dθ/dτ ; binder: epoxy resin (epidian 5),
temperature: 283 and 293 K, plate material – quartz
Kąt zwilżania θ; stopnie
55
Pomiary (measurements)-283 K
Model; kr=0,996
Pomiary (measurements)-293 K
Model; kr=0,997
45
35
25
0
20
40
60
80
100
120
Czas pomiaru τ; min
Rys. 6. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: epidian 5 z rozcieńczalnikiem (5% octanu
butylu), temperatura: 283 i 293 K, materiał podkładki – kwarc
Fig. 6. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: epoxy resin (epidian 5) with diluent
(butyl acetate 5%), temperature: 283 and 293 K, plate material – quartz
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej…
53
Dane z rysunku 6 wskazują, że już stosunkowo niewielki dodatek rozcieńczalnika może zrekompensować niekorzystny wpływ obniżonej temperatury.
Potwierdzają to również prace [4, 6, 10].
Kąt zwilżania θ; stopnie
35
Pomiary (measurements)-283 K
Model; kr=0,980
Pomiary (measurements)-293 K
Model; kr=0,974
25
15
0
20
40
60
80
100
120
Czas pomiaru τ; min
Rys. 7. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: żywica alkilowa (LT-72), temperatura: 283
i 293 K, materiał podkładki – kwarc
Fig. 7. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: alkyd resin (LT-72), temperature: 283
and 293 K, plate material – quartz
Wpływ obniżania temperatury na przebieg zmian kąta zwilżania może być
słabszy lub silniejszy nawet w obrębie spoiw tego samego rodzaju. Wyniki zamieszczone na rys. 7 wskazują na stosunkowo małą wrażliwość żywicy LT-72
na działanie obniżonej temperatury.
Pomiary (measurements)-283 K
Model; kr=0,99
Pomiary (measurements)-293 K
Model; kr=0,95
Kąt zwilżania θ; stopnie
35
25
15
5
0
20
40
60
80
100
120
Czas pomiaru τ; min
Rys. 8. Zależność kąta zwilżania θ od czasu τ; spoiwo: szkło wodne, temperatura: 283 i 293 K,
materiał podkładki – kwarc
Fig. 8. Time (τ) dependence of wetting angle (θ); binder: water-glass, temperature: 283 and 293 K,
plate material – quartz
54
B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński
Przedstawione na rys. 8 czasowe wykresy kąta zwilżania dla szkła wodnego
wykazują pewną odrębność w stosunku do spoiw organicznych. Obniżona temperatura wpływa wyraźnie negatywnie na kąt równowagowy, ale wartości kąta
na początku pomiarów są zbliżone. Powoduje to większą dynamikę zmian kąta
zwilżania w początkowym okresie przy wyższych wartościach temperatury.
3. PODSUMOWANIE
Dobra zwilżalność osnowy mas formierskich przez materiał wiążący jest,
oprócz lepkości, jednym z parametrów wpływających pozytywnie na właściwości sporządzanej masy formierskiej. W artykule przedstawiono charakterystykę
prototypowego aparatu, umożliwiającego prowadzenie pomiarów kąta zwilżania
także w temperaturze obniżonej (w stosunku do temperatury pokojowej). W
aspekcie sporządzania mas formierskich kierunek oddziaływania obniżonej temperatury na zwilżalność osnowy piaskowej jest niekorzystny. Obniżona temperatura wpływa także negatywnie na lepkość spoiwa [4, 5]. Przytoczone rezultaty
oceny zwilżania kwarcu przez wybrane spoiwa w temperaturze obniżonej wykazały w większości wypadków wzrost równowagowego kąta zwilżania. Wraz
z obniżeniem temperatury występują również istotne zmiany dynamiki przebiegu zjawiska zwilżania, zwłaszcza w początkowym okresie. Rezultaty wykonanych pomiarów czasowych zmian kąta zwilżania dobrze opisuje zaproponowana
zależność. Planowane, dalsze badania i analizy umożliwią określenie wpływu
warunków badań na parametry występujące w tym równaniu. Negatywny wpływ
obniżonej temperatury może być skompensowany dodatkiem rozcieńczalnika.
LITERATURA
[1] Adamczyk Z., Karwiński A., Para G., Charakterystyka fizykochemiczna spoiw i ciekłych
mas ceramicznych stosowanych w odlewnictwie, Kraków, Wyd. Instytutu Odlewnictwa
1999.
[2] Bikerman J. J., The Science of Adhesive Joints, New York – London, Acad. Press 1961.
[3] de Ruijter M., Kölsch P., Voué M., de Coninck J., Rabe J. P., Effect of temperature on the
dynamic contact angle, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 1998, 144, s.
235–243.
[4] Hutera B., Dynamika zwilżania kwarcu przez spoiwo epoksydowe, Archiwum Technologii
Maszyn i Automatyzacji, 2005, vol. 25, nr 1, s. 31–40.
[5] Hutera B., Temperature influence on viscosity of selected foundry binders, Archives of
Foundry, 2003, r. 3, nr 9, s. 203–208.
[6] Hutera B., Wpływ temperatury i dodatku nieaktywnych rozcieńczalników na dynamikę
zwilżania kwarcu przez żywicę Epidian 5, Przegląd Odlewnictwa, 2005, nr 6, s. 384–389.
[7] Hutera B., Lewandowski J. L., Zjawiska na granicy faz: osnowa kwarcowa – żywica syntetyczna, in: Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Materiały III Konferencji,
Poznań–Kołobrzeg 1996, s. 99–105.
Wpływ obniżonej temperatuty na zwilżalność osnowy kwarcowej…
55
[8] Hutera B., Lewandowski J. L., Para G., Wpływ sposobu przygotowania powierzchni
kwarcu na wartość kąta zwilżania tego materiału przez składniki ciekłego spoiwa, Archiwum
Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2001, vol. 21, nr ???, s. 79–86.
[9] Hutera B., Smyksy K., Wybrane aspekty opisu czasowych zmian kąta zwilżania osnowy
przez materiały wiążące, in: Wydział Odlewnictwa AGH, XXX Konferencja Naukowa, Kraków 2006, s. 447–452.
[10] Hutera B., Smyksy K., Lewandowski J. L., Drożyński D., Wybrane aspekty oznaczania
zwiżalności osnowy przez materiały wiążące stosowane w masach formierskich, Archiwum
Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2003, vol. 23, nr 1, s. 63–70.
[11] Kucharski M., Fima P., Skrzyniarz P., Przebinda-Stefanowa W., Surface tension and
density of {Cu-Ag}, {Cu-In} and {Ag-In} alloys, Archives of Metallurgy and Materials,
2006, vol. 51, iss. 3, s. 389–397.
[12] Lewandowski J. L., Tworzywa na formy odlewnicze, Kraków, Akapit 1997.
[13] Zych J., Oddziaływanie warunków atmosferycznyc na stan wierzchniej warstwy form piaskowych wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi, Archiwum Odlewnictwa, 2006, r.
6, nr 22, s. 576–581.
[14] Żenkiewicz M., Adhezja i modyfikacja warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, Warszawa, WNT 2003.
Praca wpłynęła do Redakcji 14.05.2007
Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski
INFLUENCE OF LOWERED TEMPERATURE ON WETABILITY OF QUARTZ
GRAINS BY BINDERS USED IN MOULDING SANDS
Summary
In the paper some results of investigation of wettability of quartz by selected binders used in
moulding and core sand have been presented. The comparison of measurements of dynamic contact angle of chosen binders at ambient 20oC and lowered temperature 10 oC has been done. The
prototype apparatus for such experiments has been described. The proposal of change of dynamic
contact angle description has been given. The importance of that problems for foundry technology
has been mentioned.
Key words: foundry engineering, moulding sands, binder properties, wettability
56
B. Hutera, K. Smyksy, D. Drożyński