ł Wydział Odlewnictwa II rok Grupa 3 Semestr pierwszy (zimowy)	Przedmiot Tworzywa na formy odlewnicze Temat ćwiczenia Oznaczanie wytrzymałości mas formierskich w podwyższonych temperaturach Rc^t Wykonujący ćwiczenie Krzysztof Piórkowski	Data wykonania

1. Wstęp teoretyczny

Z udziałem podwyższonej temperatury oznacza się 3 rodzaje wytrzymałości:

- wytrzymałość końcową R_c^tk,

- wytrzymałość na rozciąganie w strefie przewilżonej R_k,

- wytrzymałość na ściskanie R_c^t.

1. Wytrzymałość końcowa R_c^tk jest to wytrzymałość masy po nagrzaniu i następnym ostudzeniu do temperatury otoczenia. Oznacza się zwykle na kształtkach o średnicy 28,575 mm i wysokości 50,8 mm. Czas nagrzewania ma wynosic od 4 do 24 minut. Dla uzyskania miarodajnego wyniku zaleca się wykonanie 5 równoległych oznaczeń, a za wynik końcowy przyjęcie mediany. W tym celu komplet kształtek dla danej temperatury można nagrzewać łącznie w piecu (próbki wkłada się do pieca już nagrzanego do temperatury badania). Metoda badania na wytrzymałość jest analogiczna do metody badania wytrzymałości R_c, opisanej poniżej. Dla pełnego scharakteryzowania masy jest niezbędne określenie zmiany wytrzymałości końcowej z temperaturą w takim zakresie, do jakiego nagrzewa się masa pod wpływem temperatury ciekłego stopu odlewniczego, podnosząc każdorazowo temperaturę o 100K, uzyskuje się przy tym wykres R_c^tk=f(t).

2. Wytrzymałość na rozciąganie w strefie przewilżonej R_k jest to stosunek siły rozciągającej, która spowodowała zniszczenie (rozerwanie) do początkowego przekroju kształtki. Oznacza się na kształtkach walcowych zagęszczonych w sposób znormalizowany w odpowiedniej tulejce, umożliwiającej następnie rozerwanie kształtki w miejscu występowania strefy przewilżonej. Zasada badania polega na nagrzewaniu płaskiej powierzchni (podstawy kształtki walcowej) wilgotnej masy w określonej temperaturze i przez odpowiedni czas, powodującym utworzenie się strefy przewilżonej i pomierzeniu wytrzymałości na rozciąganie masy w tej strefie. Nagrzewanie masy powoduje parowanie wody i przemieszczanie się pary wodnej w głąb masy. Mały współczynnik przewodzenia ciepła powoduje, że do temperatury żródła ciepła nagrzewa się początkowo cienka warstwa masy, pod którą znajdują się warsty masy o szybko obniżającej się temperaturze. Para wodna skrapla się na warstwach masy o temperaturze mniejszej od 100˚C, powodując w nich zwiększenie zawartości wilgoci (tworzenie się warsty przewilżonej). Z czasem nagrzewa się do wyższej temperatury coraz grubsza warstwa masy, co powoduje równoczesne przesuwanie się strefy przewilżonej do głębszych warstw masy. Dla temperatury żródła ciepła wynoszącej 320˚C i odległości płaszczyzny podziału od powierzchni zagęszczonej równej 5mm czas nagrzewania wynosi 15s.

Badanie wykonuje się za pomocą aparatów z elektrycznymi płytami grzewczymi dociskanymi do dolnej podstawy kształtki walcowej. Po osiągnięciu nastawionego czasu następuje rozciąganie kształtki, która zostaje zniszczona w płaszczyżnie poziomego podziału tulejki. Wytrzymałość na rozciąganie w strefie przewilżonej R_k określa się ze stosunku wrtości siły w momencie zerwania kształtki do poprzecznego przekroju kształtki walcowej. Aparaty mają mierniki umożliwiające bezpośrednie odczytanie wartości R_k. zaleca się wykonanie 5 równoległych pomiarów, a za wynik końcowy przyjąć madianę.

3.Wytrzymałość na ściskanie R_c^t można oznaczać jak na próbkach z mas wilgotnych, tak i suszonych; o różnych wymiarach i stopniu zagęszczenia. Oznaczanie polega ogólnie na tym, że kształtkę walcową nagrzewa się do pewnej określonej temperatury pomiaru i oznaczenie dokonuje się dopiero wtedy, gdy kształtka w całym przekroju nagrzana jest równomiernie do tej samej temperatury.

W związku z tym, że wytrzymałość masy zależy nie tylko od temperatury, lecz również od szybkości nagrzewania, rozróżnia się 2 zasadnicze grupy metod oznaczania R_c^t:

- ze stosowaniem szybkiego nagrzewania masy – (gwałtowny wzrost temperatury) wymaganą temperaturę kształtki osiąga się w ciągu 1-2 minut. Początkowy wzrost temperatury jest bardzo niewielki;

- ze stosowaniem powolnego nagrzewania masy – ( powolny wzrost temperatury i długi czas nagrzewania) temperaturę kształtki osiąga się w ciągu 10-20 minut lub nawet po upływie jeszcze dłuższego czasu. Wytrzymałość na ściskanie wzrasta szybko wraz ze wzrostem temperatury, a po osiągnięciu maksimum gwałtownie spada. Ten początkowy wzrost wytrzymałości jest spowodowany (dla mas klasycznych) zjawiskami zachodzącymi w lepiszczu pod wpływem wzrastającej temperatury. Z chwilą, gdy temperatura badanej kształtki osiągnie temperature mięknięcia gliny, masa zaczyna przechodzić w stan plastyczny, co objawia się gwałtownym spadkiem wytrzymałości.

Do badania wytrzymałość na ściskanie R_c^t stosowany jest aparat opierający się na metodzie oznaczania wytrzymałości na ściskanie w podwyższonej temperaturze, ujętej w amerykańskich przepisach AFS. W metodzie tej stosowane sa kształtki o średnicy 28,6mm i wysokości 50,8mm. Sporządza się je za pomocą ubijaka o tej samej zasadzie działania co ubijak znormalizowany, ale odmienną masę ciężarka (3,175kg) i wysokośc spadania (66,7mm), zagęszcza się prze trzykrotne uderzenie tego ubijaka.

Próbkę ustawia się na dolnym trzpieniu ogniotrwałym, na którym umieszcza się napierw dwie podkładki ze szkła kwarcowego, po ustawieniu próbki nakrywa się ją analogicznym zestawem złożonym z 2 podkładek (nakładek). Układ podkładek i nakładek zapewnia osiowe ściskanie próbki. Kształtki są ogrzewane drogą promieniowania w komorze pieca sylitowego do temperatury oznaczenia ( maksymalna temperatura, jaką można osiągnąć w piecu wynosi 1300˚C) przez 10-20 minut (metoda grupy drugiej).

Aparat do wykonania pomiaru składa się z:

- pieca sylitowego,

- cylindra z tłokiem (prasa),

- pompy olejowej,

- silnika elektrycznego.

Piec sylitowy ma kształt walca ustawionego pionowo, podzielonego w połowie na dolną i górną częsci. Dolna część jest ruchoma i może być opuszczana w dół za pomocą dzwigni. Piec jest zamontowany na 2 kolumnach. Elementy grzejne stanowią pręty sylitowe (6 sztuk) umieszczone wewnątrz pieca w pozycji pionowej. W górnej części pieca w osi symetrii jest zamocowany górny nieruchomy trzpień korundowy, do którego jest dociskana kształtka. Kształtka jest ustawiana na dolnym ruchomym trzpieniu korundowym, który wsuwa się do pieca przez otwór znajdujący się w jego dolnej części. Dolny trzpień jest osadzony na tłoku znajdującym się w cylindrze zamontowanym na płycie. Pod płytą umieszczona jest pompa olejowa i napędzający ją silnik elektryczny. Podczas oznaczania wytrzymałości na ściskanie badanej kształtki olej ze zbiornika jest tłoczony za pomocą pompy do cylindra. Sprężony olej ciśnie na tłok, a parcie tłoka jest przenoszone za pomocą trzpienia korundowego na kształtkę. W skład aparatu wchodzi także aparatura sterowniczo-pomiarowa. Z prawej strony aparatu umieszczona jest dzwignia, służąca do otwierania pieca. Obok dzwignie znajduje się zawór, służący do regulacji szybkości przyrostu ciśnienia w cylindrze. Na lewej bocznej ścianie na tej samej wysokości jest umieszczony zawór, który zamyka przewód łączący cylinder ze zbiornikiem oleju. Przewodem tym jest odprowadzany olej po wykonaniu ćwiczenia. Na czołowej powierzchni aparatu znajdują się manometr, wskazujący wytrzymałość na ściskanie kształtki oraz uchwyt wysuwanej rączki, służącej do zatrzymania tłoka na pewnej wysokości, co umożliwia dogodne ustawienie nowej kształtki na dolnym trzpieniu korundowym dla wykonania następnego pomiaru.

1. Wykonanie ćwiczenia

Sporządzamy masę o następującym składzie:

- 100 cz. wagowych piasku kwarcowego ze szczakowej,

- 10 cz. wagowych bentonit special ekstra U.

Wilgotność masy wynosi 4,3%.

Odważamy 2kg piasku kwarcowego, przesianego przez sito 4*4mm, wsypujemy do mieszarki krążnikowej i uruchamiamy mieszarkę w celu równomiernego rozłożenia piasku w misie. Dodajemy połowę założonej ilości wody (50cm³), mieszamy przez 1 minutę. Następnie dodajemy bentonit i mieszamy prze kolejne 2 minuty. Po uplywie tego czasu zatrzymujemy mieszarkę i odgarniamy masę od ścianek misy, dodajemy resztę wody i mieszamy przez 5 mniut.

Po upływie tego czasu należy bez wyłaczania mieszarki odsunąć zasuwkę w dnie misy i wypuścić masę do podstawionego naczynia. Następnie przesiewamy masę przez sito ręcznie o prześwicie oczek 4*4mm, wysypujemy do naczynia Aulicha i przenosimy na stanowisko wykonywania kształtek.

Po wykonaniu kształtek (sposób wykonania został opisany powyżej) wkłada się je do suszarki laboratoryjnej i suszy się w temperaturze 150-170˚C w ciągu godziny.

Jednocześnie badamy także wilgotność masy.

Oznaczenia w piecu wykonuje się kolejno w temperaturach: 500, 700, 900, 1050˚C.

Otrzymaliśmy następujące wyniki:

Lp.	Temperatura [°C]	Wytrzymałość Rc^t [Pa]	Czas wygrzewania [min]
1	500	1,18	18
2	700	2,6	17
3	900	4	13
4	1050	1,23	11

Z powyższej tabeli możemy sporządzić wykres zależności wytrzymałości na ściskanie od temperatury:

.

1. Wnioski

Z powyższego wykresu możemy zobaczyć, że wytrzymałość na ściskanie w podwyższonej temperaturze ze stosowaniem powolnego magrzewania masy klasycznej wzrasta szybko wraz ze wzrostem temperatury, a po osiągnięciu maksimum gwałtownie spada. Ten początkowy wzrost wytrzymałości jest spowodowany zjawiskami zachodzącymi w lepiszczu pod wpływem wzrastającej temperatury, a mianowicie jego spiekaniem. Z chwilą, gdy temperatura badanej kształtki osiągnie temperature mięknięcia gliny, masa zaczyna przechodzić w stan plastyczny, co objawia się gwałtownym spadkiem wytrzymałości. Maksimum wytrzymałości masy formierskiej może występować przy różnych temperaturach w zależności od rodzaju lepiszcza. W naszych badaniach masa osiągnęła maksimum wytrzymałości przy 900°C – 4 MPa.