2. Podział mas i reprezentatywne technologie wykorzystujące rodzaje, gatunki o odmiany mas.

Masy można podzielić według:

1. przeznaczenia:

1. zastosowaniu przy formowaniu:

1. formierska [MF]:

2. rdzeniowa [MR]

2. stopnia zużycia:

3. składu, sposobu wiązania i konsystencji:

• z materiałami wiążącymi:

• bez materiałów wiążących:

2. generacji:

• I generacji - materiał wiążący: lepiszcze;

• II generacji - materiał wiążący: spoiwo;

• III generacji - bez materiałów wiążących (wiązanie fizyczne);

• IV generacji - masy wiązane za pomocą biopolimerów.

Skrótowo rodzaje mas I generacji:

• Naturalne - piasek naturalny + woda + dodatki;

• Półsytetyczne - piasek naturalny + glinka/piasek kwarcowy + woda + dodatki;

• Syntetyczne - piasek kwarcowy + bentonit + woda + dodatki;

• Gliniaste.

6. Syntetyczne masy klasyczne z betonitami.

Osnowa - głównie kwarcowa, niewielki udział piasków: cyrkonowych, chromitowych, magnezytowych) powinna się charakteryzować:

• Zawartością lepiszcza

• Składem ziarnowym:

• Średnią wielkość ziaren;

• Jednorodnością;

• Kształtem.

7. Mechanizm wiązania mas generacji I.

Charakterystyczną cechą montmorillonitów jest ich bardzo wysoka zdolność do pęcznienia w obecności wody. Woda wchłonięta w przestrzenie między pakietowe powoduje pęcznienie zwiększając odległości między pakietami z 0,94 na 2,1 nm. W czasie suszenia montmorillonit traci wodę i jego wymiary sieciowe zmniejszają się.

M*H20 + H20 (odparowywanie wody swobodnej) => M*H20 + H20 (przy zalewanie w 400°C woda związana jest „wyrywana”) => M*H20 => cząstka się kurczy.

Kaolinit ma strukturę warstwową, złożoną z warstw gibbsytowej i krzemowo-tlenowej, połączonych ze sobą mocnym wiązaniem jonowym. Wskutek tego sieć kaolinitu, ma strukturę sztywną o bardzo małej zdolności pęcznienia i woda nie może wniknąć w przestrzenie między warstwowe.

Dodatek wody do masy ma zasadniczy wpływ na właściwości wytrzymałościowe klasycznych mas syntetycznych. Jeżeli masa jest sucha wówczas powierzchnia styku między cząsteczką piasku a cząsteczką bentonitu jest punktem (założenie: cząstki są kulami). W takim przypadku wytrzymałość takiej masy jest zerowa. Po dodaniu wody, każda cząsteczka bentonitu pęcznieje. W związku z tym, powierzchnia styku miedzy cząsteczkami, piasku oraz bentonitu powiększa się, co powoduje wzrost wytrzymałości.

8. Dodatki do mas.

Pył węglowy - materiał zapobiegający przypalaniu się masy do powierzchni odlewu, polepsza gładkość odlewu. Dodawany w ilościach:

• 3-5 cz. wag. do masy świeżej;

• 0,4-0,6 cz. wag. do masy odświeżanej.

Pył grafitowy - wpływa na polepszenie jakości powierzchni odlewów (do 5 cz. wag.), dodatek zwiększający współczynnik przewodzenia ciepła masy formierskiej (15-30 cz. wag.).

Pył węgla drzewnego - obecnie stosowany w odlewnictwie artystycznym.

Smoła granulowana - dodawana w ilości 2-3 cz. wag. dobrze działa przeciwko przypaleniom i wżerom oraz zmniejsza chropowatość powierzchni odlewów. Działa również jako spoiwo wiążące i podwyższa wytrzymałość masy. Sygnalizowana szkodliwość =>rzadko stosowana.

Materiały bezwęglowe - dodatki zmniejszające przypalanie się masy do odlewu oraz/lub polepszyć gładkość powierzchni odlewu.

Materiały zluźniające: trociny, torf, mączka drewna - dodawane w celu polepszenia wybijalności, dodaje się do mas, które posiadają mają zdolność do odkształcania w miarę postępującego skurczu odlewu.

Parafina, wosk, stearyna - polepszają płynność piasku, ułatwiają oddzielenie skorupy od płyty modelowej.

Dodatki skrobiowe - generalnie krochmal lub dekstryna (0,5-2 cz. wag.), celulozowe (~1 cz. wag.), skrobiowo-celulozowe (do 2 cz. wag.) - zmniejszają skłonność klasycznych mas syntetycznych do powodowania strupów lub żyłek oraz zmniejszają także osypliwość masy.

Dodatki przyspieszające wiązanie cementu:

• melasa - do 3,5 cz. wag.;

• polifosforany;

• kwas ortoborowy.

Szczawianamonu - zapobiega zapaleniu się odlewanego stopu magnezu.

11. Zasady odświeżania mas klasycznych.

Proces regeneracji ma na celu odzyskanie osnowy piaskowej o właściwościach zbliżonych do świeżego piasku. Aby zrealizować ten cel należy:

• oddzielić masę przepaloną od nie przepalonej;

• zabezpieczyć masę syntetyczną przed zanieczyszczeniem masą rdzeniową;

• usunąć z powierzchni ziarn osnowy przywarty bentonit (proces oolityzacji), gdyż stopień ootylizacji powyżej 10% wyraźnie obniża temperaturę spiekania osnowy;

• usunąć pył powstały w wyniku: przepalenia bentonitu, starcia powierzchni ziarn osnowy piaskowej zootylizowanej otoczki, pękania ziarn osnowy, obecności dodatków.

Metody regeneracji:

• pneumatyczna;

• mechaniczna;

• cieplna;

• kombinowana;

• mokra.

• Według aktualnej wiedzy i stosowanych metod zaleca się przede wszystkim metodę mechaniczno-pneumatyczną.

16. Masy generacji II - wiązanie spoiwami

Do mas generacji drugiej zaliczamy wszystkie te masy, w których elementem wiążącym jest spoiwo.

Podział spoiw:

1. ze względu na wytrzymałość (wytrzymałość przeliczona na 1% spoiwa):

• klasa I - Rm^u >0,5 MPa

• klasa II - Rm^u=0,3-0,5 MPa

• klasa III - Rm^u<0,3 MPa

ze względu na sposób wiązania

• wiążące chemicznie

- oleje schnące surowe, żywice syntetyczne (klasa I)

- oleje półschnące surowe, mieszanki olejowe, krzemian etylu, szkło wodne (klasa II)

- mieszanki olejowe, szkło wodne, gips, cement, wapno (klasa III)

• wiążące przez krzepnięcie

- kalafonia, produkty smołowe (klasa III)

• wiążące przez odwadnianie

- dekstryna, skrobie (klasa II)

- ług posiarczynowy, melasa, skrobie (klasa III)

Do mas II generacji zaliczamy:

• masy samoutwardzalne (SMS, CMS)

• masy szybkoutwardzalne (SMSZ, CMSZ)

• masy szybkowiążące (SMT, CMT)

masy wolnowiążące (SMW, CMW)

18. SMS ze spoiwem fosforanowym i cementem

SMS z cementem.

Zaletą tych mas jest niski koszt, dostępność składników, dobra wytrzymałość, dostateczna żywotność. Wady: długi czas utwardzania, długie przetrzymywanie modelu w formie, silne przylepianie się masy do modeli. Masy te dzielimy na sypkie i ciekłe. Sypkie masy samoutwardzalne z cementem: Jak osnowę stosuje się zwykle piasek kwarcowy dl = 0,15 - 0,3 mm. Ilość dodawanego cementu zależy od jego jakości oraz od przeznaczenia masy i mieści się w granicach od 6 do 10 cz. wag. Zaleca się stosować cement portlandzki. Istotnym czynnikiem jest zawartość wody, podaje się ją za pomocą stosunku wodno-cementowego. Stosunek masowy wody do cementu w przypadku sypkich mas wynosi od 0,6 do 0,8.

SMS ze spoiwem fosforanowym

Osnowa: piasek kwarcowy oliwinowy (0,5% zaw. żelaza) spoiwo: fosforan glinu; na formy: 2,5 do 3,0 cz. w., na rdzenie: 3,5 do 4,0 cz. w. Utwardzacz: tlenek magnezu 18 do 34% w stosunku do fosforanu. Sporządzanie: 1 do 1,5 min miesza się składniki suche (tlenek magnezu, osnowa) 2 do 3 min ciekły fosforan glinu. Właściwości: dobra płynność, bardzo mała szkodliwość, krótka żywotność. Utwardzenie następuje po 25 do 60 min. Zastosowanie: żeliwo szare, ciągliwe, staliwo manganowe. Na rdzenie do średnich i dużych odlewów żeliwnych.

19. Ciekłe masy samoutwardzalne (CMS)

Stosowane w produkcji jednostkowej i seryjnej odlewów o średnich i dużych wymiarach i kształtach prostych i średnio skomplikowanych.

Masa formierska: piasek kwarcowy, szkło wodne, żużel chromowy jako utwardzacz, dodatki spieniające.

Masę o konsystencji ciekłej wylewa się na model. Po czasie 20 - 40 min. masa traci płynność i sama utwardza się.

Zalety:

• obniżenie kosztów produkcji

• zmniejszenie pracochłonności wykonania odlewu

• wyeliminowanie potrzeby suszenia form i rdzeni

• daje się łatwo mechanizować i automatyzować.

Wady:

• niezbyt dobra wybijalność

• przyczepność do modeli i rdzennic.

20. Sypkie masy samoutwardzalne z olejami.

Skład masy:

• osnowa piaskowa - piasek kwarcowy lub chromitowy, a niekiedy oliwinowy (dwie ostatnie osnowy stosuje się w zasadzie tylko w odlewnictwie staliwa)

• spoiwo - olej schnący, zawierający utleniacze w postaci: nadboranów, nadwęglanów i nadtlenków, np. olej lniany oksydowany /1,2-2,5 cz. wag./

• utwardzacz (przyspieszacz) - np. naftalen kobaltu /7-10% w stosunku do oksydowanego oleju/

• inicjator - np. wodoronadtlenek cykloheksanonu /3-5% w stosunku do ilości oleju/

Po dostatecznym utwardzeniu, rdzeń wyjmuje się z rdzennicy i poddaje krótkotrwałemu ogrzewaniu w temperaturze 200-225°C (zwiększenie wytrzymałości). Nie są to więc masy typowo samoutwardzalne, a stanowią pośrednie kompozycje między SMS, a masami wiążącymi z udziałem podwyższonej temperatury. Zaliczamy je do grupy mas samoutwardzalnych ponieważ są to pierwsze masy ze spoiwem organicznym, w których zastosowano utwardzanie w temperaturze otoczenia i proces w znacznej mierze przebiega w tej temperaturze.

Zalety masy:

• dobra płynność,

• mała osypliwość,

• dobra wybijalność,

Wady masy:

• wydzielająca się podczas destrukcji cieplnej oleju akroleina posiada silne właściwości rakotwórcze

Zastosowanie:

przede wszystkim w odlewniach staliwa, w przypadkach, w których masy z żywicami syntetycznymi nie zapewniają uzyskania dobrych wyników

21. Sypkie masy samoutwardzalne żywicami syntetycznymi (procesy „no-bake”).

SMS z żywicami syntetycznymi mogą być stosowane do sporządzania form, rdzeni odlewów ze wszystkich tworzyw odlewniczych. Cechy mas:

• Możliwość uzyskania w nich odlewów o stosunkowo dużej dokładności wymiarowej

• Możliwość wykonania skomplikowanych rdzeni bez dzielenia na części

• Dobra wybijalność i zmniejszona pracochłonność wykonywania form i rdzeni

• Wiązanie w temperaturze otoczenia

• Mała zawartość spoiwa

Wady:

• Stosunkowo długi czas wiązania

• Krótka żywotność

• Szkodliwość wydzielających się gazów

• Stosunkowo wysoki koszt masy

Osnowa: piasek kwarcowy do 0,2% lepiszcza, jak najmniej domieszek zasadowych(alkalia, węglany); d_l=0,15, wilgotność do 0,25%. temperatura osnowy 20-35 C. Może być stosowany piasek cyrkonowy lub cyrkonowo-kwarcowy.

Spoiwo: żywice furfurylowe(furany):

• Mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowe [MF/AF]

• Fenolow-formaldehydowo-furfurylowe [FF/AF]

• Mocznikowo-fenolowo-formaldehydowo-furfurylowe [MF/FF/AF]

• Formaldehydowo-furfurylowe [F/AF]

Żywice te zawierają 30-85% alkoholu furfurylowego. Dodatek żywicy wynosi 0,8-1,5cz. Wag. Na 100 cz. Osnowy kwarcowej.

Utwardzacz:

• Kwas ortofosforowy V i mieszanki kwasu ortofosforowego i siarkowego VI, do żywicmocznikowo-formaldehydowo-furfurylowych i formaldehydo-furfurylowych

• Kwas paratoluenosulfonowy (CH₃C₆H₄SO₃H) do żywic mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowych, fenolowoformaldehydowo-furfurylowych i żywic mocznikowo-fenolowo-formaldehydowo-furfurylowych

22. Ciekle masy samoutwardzalne z żywicami syntetycznymi(CMS)

Osnowa: suchy piasek kwarcowy100cz wag. (0,5%wilgoci), d_l=0,2-0,3mm zawartość lepiszcza min 0,2% i możliwie jak najniższej zawartości domieszek alkalicznych, temperatura do 35 C.

Spoiwo(1,2-3,0 cz. Wag.): żywice mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowe i fenolowo-formaldehydowo-furfurylowe.

Utwardzacz(0,5-2,5 cz. Wag): wodny roztwór kwasu ortofosforowego V, paratoluensulfonowego lub inny organiczny.

W celu uzyskania masy o konsystencji ciekłej wprowadza się środek powierzchniowo czynny. Do sporządzania mas należy stosować mieszarki zapewniające dobre spienienie masy(łopatkowe o osi poziomej)

Masę bezpośrednio po sporządzeniu wlewa się na model lub do rdzennicy. Czas utwardzania masy 15-45min od chwili wlania masy.

Zalety CMS:

• Dobra płynność, przepuszczalność, wybijalność

Dostateczna wytrzymałość

23. Sypkie masy szybkowiążące ze spoiwami organicznymi (procesy „hot-box”) - proces skorupowy, gorącej rdzennicy, ciepłej rdzennicy, skokowego utwardzania cieplnego, z przedmuchiwaniem gorącym powietrzem.

Sypkie masy szybkowiążące (SMT) są to masy, które wiążą w podwyższonej temperaturze, a równocześnie zawierają utwardzacz przyspieszający proces wiązania. Utwardzacz może spełniać rolę nośnika składników niezbędnych do szybkiego ostatecznego usieciowania żywicy (np. urotropina), albo rolę przyspieszacza. SMT są stosowane zarówno do sporządzania rdzeni, jak i form. Stosowane do seryjnej i masowej produkcji rdzeni małych o podwyższonych wymaganiach wymiarowych.

Zalety SMT:

• znacznie krótszy czas utwardzania niż masy wolnowiążące (tylko oddziaływanie temperatury)

• w gotowym rdzeniu lub formie, w stosunku do SMSZ, mają mniejszą gazotwórczość

• duża żywotność masy

Wady SMT:

• dłuższy czas utwardzania aniżeli masy SMSZ

• mniejsza dokładność wymiarowa odlewów wykonanych w SMT niż w SMSZ

Sypkie masy szybkowiążące sporządza się głównie z żywicami syntetycznymi. Są stosowane w następujących procesach:

• Croninga (formowanie skorupowe),

• klasyczny hot-box (gorącej rdzennicy),

• warm-box (ciepłej rdzennicy),

• Thermoschock (skokowego utwardzania cieplnego),

• warm air (z przedmuchiwaniem podgrzanym powietrzem).

HOT-BOX

Masa rdzeniowa:

• piasek kwarcowy płukany o zawartości lepiszcza max. do 0,5%,

• żywica termoutwardzalna (np. fenolowo -formaldehydowa typu nowolak, mocznikowo -formaldehydowa, furanowa) w ilości 1,5 -3%,

• katalizator (najczęściej kwas fosforowy), w ilości 5 -25% w stosunku do żywicy

Proces gorącej rdzennicy polega na napełnieniu masą rdzeniową za pomocą nadmuchiwarek lub strzelarek do rdzennicy podgrzanej do temp. 200 -3000C. Pod wpływem ciepła następuje szybka polimeryzacja spoiwa, powodująca utwardzenie masy rdzeniowej

Zalety:

• krótki czas wykonania rdzenia łącznie z procesem utwardzania,

• łatwość automatyzacji procesu wytwarzania rdzeni,

• duża dokładność wymiarowa rdzeni.

24. Sypkie masy szybkoutwardzalne ze spoiwami nieorganicznymi (SMSZ)

SMSZ są to masy wiążące w temperaturze otoczenia, lecz utwardzacz nie jest wprowadzany do mieszarki, ale dostarcza się go do zagęszczonej masy. Wydłuża to żywotność masy.

Masy ze szkłem wodnym:

Osnowa piasek kwarcowy, cyrkonowy, magnezytowo-chromitowy, o zawartości lepiszcza poniżej 5%, temp. 20-30 C. Spoiwo: szkło wodne o module(najczęściej sodowe) M_s=2-3,3. utwardzaczem jest bezwodnik kwasu węglowego (CO₂)

25. Sypkie masy szybkoutwardzalne ze spoiwami organicznymi (cold-box)

SMSZ są sporządzane bez utwardzacza. Środek utwardzający dodaje się do zagęszczonej masy, ukształtowanej w postaci rdzenia lub części formy. Charakteryzują się one bardzo dobrą wybijalnością i podatnością, są bardziej szkodliwe dla otoczenia niż masy ze spoiwami nieorganicznymi.

Proces cold-box ( fenolowy process Ashland)

Zasada procesu polega na sporządzeniu masy składającej się z osnowy, żywicy fenolowo - formaldehydowej i izocyjanianu. Masę po zagęszczeniu w rdzennicy przedmuchuje się utwardzaczem, mieszaniną powietrza lub CO2 z TEA, DMEA lub DMIA (czas przedmuchiwania 1-30s). Jako osnowę stosuję się piasek kwarcowy dobrze wysuszony i o możliwie jak najmniejszej ilości lepiszcza. Zapotrzebowanie kwasu przez osnowę piaskową powinno być małe. Spoiwo składa się z dwóch komponentów: żywicy fenolowo-formaldehydowej i izocyjanianu..

Piasek 100 cz. wag, spoiwo 0,8 cz. wag. utwardzacz: 2-5% ilości spoiwa.

Składniki masy (żywica i izocyjanian) bez przyspieszacza (aminy) reagują ze sobą z małą intensywnością. Żywotność masy wynosi 1,5-3,5h, przy czym skraca się w miarę wzrostu wilgoci.

Zalety metody:

• Większa dokładność wymiarowa, nie ma cyklicznych zmian temperatury

• Zmniejszone koszty produkcji rdzeni

• Zmniejszenie zużycia energii w odlewni

• Możliwość szybszej wymiany rdzennic

• Masa dobrze utwardzona w całej objętości

• Masa ma dobrą wytrzymałość dobrą płynność i wybijalność

Wady:

• Stosunkowo wysoka cena składników spoiwa

• Duża wrażliwość na wilgoć

• Nieprzyjemny zapach

• Toksyczność utwardzacza

27. Masy III generacji (bez materiałów wiążących)

Masa jest tym lepsza im mniej zawiera materiału wiążącego. Korzyści ze stosowania samej osnowy:

• Umożliwia pełne wykorzystanie właściwości osnowy piaskowej

• Poważnie ogranicza gazotwórczość

• Poważnie ogranicza przygotowanie surowców i przerób masy

• Umożliwia ponowne użycie masy, bez regeneracji

• Zmniejsza ilość sprowadzanych materiałów

• Zmniejsza koszty masy

• Zmniejsza szkodliwość dla otoczenia

Kombinowane; stosowane celem zwiększenia efektywności procesu
Wilgotność - woda, która zostaje usunięta z materiału formierskiego w temperaturze 105-110°C. Jest to woda adsorpcyjna, kapilarna oraz swobodna. Zawartość wilgoci podaje się z [%] ze wzoru: W=(ma-mb)*100/ma [%]. ma - masa wilgotna, mb - masa sucha.

Metody oznaczania wilgotności:

• grawitometryczne - polega na ubytku masy;

• chemiczne - ciśnienie/objętość powstałego acetylenu, ubytek amoniaku;

• fizyczne - gęstość pozorna, zagęszczalność, objętość wydzielonej wody, czas przejścia ultradźwięków;

• elektryczne - przenikalność, stratność, oporność, przewodność właściwa;

• elektrojądrowe - stopień pochłaniania, straty energii, neurony termiczne.

Gęstość - stosunek masy do objętości litej próbki materiału.

Gęstość pozorna - stosunek masy do objętość zajmowanej przez materiał ziarnisty łącznie z porami.

Gęstość usypowa - gęstość masy luźno usypanej.

Gęstość w stanie spulchnionym - gęstość masy przesianej przez sito o oczkach 4x4mm.

Odkształcalność - zdolność masy do zmiany kształtu lub wymiarów przy zachowaniu ciągłości materiału. Odkształcalności:

• w temperaturze otoczenia Oo;

• w podwyższonej temperaturze Ot.

Płynność - zdolność masy do maksymalnego i równomiernego zagęszczenia się przy minimalnym nakładzie pracy.

• Metoda Dieterta - polega na pomiarze ubytku wysokości kształtki standardowej między 4 a 5 uderzeniem ubijaka standardowego. Wartość płynności oblicza się ze wzoru: Pd=100-40*x [%], gdzie x to ubytek wysokości.

• Metoda stosunku gęstości - polega na wyznaczeniu stosunku objętości próbki standardowo zagęszczonej Vz do objętości próbki w stanie spulchnionym Vs. Wartość oblicza się ze wzoru: Wp=Vz/Vs. Im wyższa wartość Wp tym lepsza płynność.

• Metoda zrzucania „shatter test” - polega na zrzuceniu, zważonej znormalizowanej kształtki walcowej z wysokości 6 stóp na poziomą płytę metalową. Po rozbiciu, płytę obraca się o 90°, wskutek czego kawałki masy zsuwają się na sito o oczkach ½” na ½”. Kawałki pozostałe na sicie waży się z dokładnością do 0,1g.

Płynność zrzucania oblicza się z wzoru: Pz=(Qc-Qz)*100/Qc [%]

Qc - masa całkowita kształtki [g];

Qz - pozostałość na sicie [g].

Im wyższa wartość Pz, tym lepsza płynność.

• Metoda swobodnej płynności - polega na zrzuceniu masy (150g i przesianej przez sito o oczkach 4x4 mm) z wysokości 3 stóp na sito o oczkach 6x6 mm. Miarą płynności jest ilość masy w [g], jaka przejdzie przez sito.

• Metoda Orłova - polega na pomiarze twardości na 2 poziomach kształtki znajdujących się w różnych odległościach od tłoka prasującego. Kształtka walcowej Ø50x50 pod ciśnieniem 2 MPa z włożoną na dno wkładką o wysokości 30 mm, w kształcie połowy walca. Wartość płynności Orłova oblicza się ze wzoru: Po-Ta/Tb*100 [%] Ta - twardość przy dnie, Tb - twardość przy wkładce. [rysunek].

Zdolność do zagęszczania (zagęszczalność) - ubytek wysokości słupa (w określony sposób) spulchnionej masy pod wpływem zagęszczania. Zagęszczalność wyznacza się za pomocą prasowania pod ciśnieniem 1 MPa. Wartość zagęszczalności odczytuje się bezpośrednio ze skali lub oblicza ze wzoru: Z=(H-h)*100/H. H - wysokość luźno nasypanej masy (100 [mm]), h - wysokość zagęszczonej kształtki [mm].

Przyczepność - zdolność masy do przylepiania się do powierzchni oprzyrządowania modelowego. Próby: stożkowa oraz Levelinka.

Osypliwość - zdolność osypywania się cząstek masy pod wpływem utraty wytrzymałości (wilgotności). Wartość: S=(a-b)*100/a; a - masa kształtki przed badaniem, b masa kształtki po badaniu. Oznaczanie: Lampa, temp. 95°C, czas: 5 min.

Ścieralność - zdolność osypywania się cząstek masy pod wpływem działania czynników mechanicznych (transport, zakładanie rdzeni, składanie form, zalewnie form). Wartość, tak jak wartość osypliwości. Oznaczanie: aparatem Dlezeka, Janickiego, HSW

Przepuszczalność - zdolność masy do odprowadzania gazów.

---