Wydział Odlewnictwa II rok Grupa 3 Semestr pierwszy (zimowy)	Przedmiot Tworzywa na formy odlewnicze Temat ćwiczenia Oznaczanie wlaściwości mas rdzeniowych wykonywanych technologią zimnej rdzennicy (cold-box) Wykonujący ćwiczenie Oleksandra Samarska	Data wykonania 5.12.2011

1. Wstęp teoretyczny

Klasyczny proces cold-box (fenolowy proces Ashland) polega na sporządzeniu masy m składającej się z osnowy, żywicy fenolowo-formaldehydowej i izocyjanianu; masę tę po zagęszczeniu w rdzennicy przedmuchuje się mieszaniną trietyloaminy (TEA), dimetyloetyloaminy (DMEA) lub dimetyloizopropyloaminy (DMIA) (ilość aminy wynosi 2-5% ilości spoiwa) z powietrzem lub CO₂.

Proces ten zastapił procesy hot-box, metodę Croninga i metodę CO₂, gdyż charakteryzuje się następującymi cechami:

- zapewnia większą dokładność wymiarową rdzeni,

- zmniejszenie kosztów produkcji rdzeni,

- mozliwość szybkie wymiany rdzeni,

- zmnieszenie ilości niezbędnych rdzennic,

- zmnieszenie zużycia energii w odlewni,

- wyrażne zmniejszenie wymaganej powierzchni produkcyjnej.

Do ujemnych cech procesu możemy zaliczyć:

- stosunkowa wysoka cena składników spoiwa,

- duża wrażliwość na obecność wilgoci (izocyjanian jest wrażliwy na wilgoć – 0,5% wilgoci zmniejsza wytrzymałość masy nawet o 30% oraz skraca dopuszczalny czas przetrzymywania rdzeni),

- działanie składników spoiwa na naskórek,

- toksyczność utwardzacza (aminy) i jego nieprzyemny zapach,

- duża szkodliwość produktów destrukcji cieplnej spoiwa.

Do procesu cold-box są stosowane sypkie masy szybkoutwardzalne (SMSZ) ze spoiwami organicznymi sporządzane bez dodatku utwardzacza. Środek utwardzający jest wprowadzany już do zagęszczonej masy, ukształtowanej w postaci rdzenia lub częsci formy. Pozwala to użyć utwardzaczy o duże szybkości utwardzania, co zapewnia związania masy w krótkim czasie i umożliwia szybkie wykorzystanie rdzeni po ich utwardzeniu. Masy te charakteryzują się bardzo dobrą lub dobrą wybialnością i podatnością, ale są znacznie bardziej szkodliwe dla otoczenia niż naprzykład masy ze spoiwami nieorganicznymi. Posiadają dobrą wytrzymałość i płynność oraz zadawalającą żywotność (1,5-3,5h). Masa ma skłonność do przylepiania się do powierzchni oprzyrządowania. Jako oddzielacze stosuje się różne substncje, między innymi zawierające: benzynę, heptan, proszek aliuminiowy, wosk parafinowy.

Deformacje masy można zmniejszyć wprowadzając większą ilość izocyjanianu ( stosunek żywicy do izocyjanianu: 1:1,2 lun 1:1,5).

Jako osnowę stosuje się zwykle piasek kwarcowy dobrze wysuszony (wilgotność nie może przekraczać 0,1%) i o możliwie nakmniejszej zawartości lepiszcza (do 0,2%) (im większa zawartość lepiszcza, tym krótsza żywotność masy). Stosowany jest piasek kupisty lub owalny ze średnią wielkością ziarna około 0,2-0,25mm. Za optymalną temperature piasku przyjmuje się 25-28˚C. Nie zaleca się stosowanie piasku o nadmierne jednorodności, celowe jest nawet mieszanie piasków. Oprócz piasku kwarcowego może być także stosowany piasek oliwinowy (jego wysoka zasadowość powoduje bardzo szybkie wiązanie i zmniesza żywotność masy). Zaleca się także stosowanie piasków chromitowych.

Spoiwo składa się z 2 komponentów: żywicy fenolowo-formaldehydowej i izocyjanianu. Stosuje się żywicę z dodatkiem rozpuszczalnika zmniejszającego lepkość. Temperatura wrzenia rozpiszczalnika wynosi około 160˚C, temperatura zapłonu – 90-100˚C, nie ma niebezpieczeństwa wybuchu rozpuszczalnika w obecności powietrza.

Utwardzaczem (przyspieszaczem) jest trietyloamina (TEA), dimetyloetyloamina (DMEA) lub dimetyloizopropyloamina (DMIA), najczęściej stosowana jest TEA.

Jako dodatki są stosowane Fe₂O₃, niekiedy Al₂(SO₄)₃. Tlenek żelaza (III) wprowadza się w ilości do 2% w przypadku występowania nakłuć.

Składniki spoiwa wprowadzane sa zazwyczaj w stosunku 1:1. Bez przyspieszacza, żywica i izocyanian reagują ze sobą, chociaż z małą intensywnością, dlatego żywotność masy wynosi 1,5-3,5h przy czym wyrażnie skraca się w miarę wzrostu zawartości wilgoci w osnowie.

Przy produkcji odlewów cienkościennych, rdzeni nie pokrywa się powłokami ochronnymi. Natomiast na rdzenie większe należy nanosić powłoke ochronną – po całkowitym uywardzeniu masy można stosowac powłoki alkoholowe, chlorkowe i wodne ( wymagają podsuszenia).

Metoda cold-box stosowana jest przede wszystkim do zauromatyzowanej produkcji małych (poniżej 1kg) i średnich rdzeni. Proces może też być stosowany do wytwarzania małych form.

W procesie tego procesu szczególną uwagę trzeba zwracać na warunki bhp i ochrone środowiska. Zaleca się pracę w odzieży ochronnej oraz stosowanie kremów ochronnych. Niezbędny est sprawny system wentylacyjny, konieczna jest hermatyzacja układu przedmuchiwania, a także neutralizacja aminy zawartej w powietrzu oczyszczającym rdzeń z resztek utwardzacza. Zwykle stosuje się przepuszczanie tego powietrza przez zbiornik z kwasem (np. H₃PO₄). Z masy po zetknięciu się z ciekłym stopem odlewniczym wydzielają się : tlenek węgla, cyanowodór, amoniak, fenol, formaldehyd, benzen, toluen,, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Podczas mieszania masy wydzielają się: diizocyjanian difenylometanu, fenol i formaldehyd, podczas przedmuchiwania utwardzaczem – dodatkowo aminy.

1. Wykonanie ćwiczenia

Dla wykoniania rdzeni metodą cold-box sporządzamy 3 kg masy rdzeniowej o następującym składzie:

- piasek kwarcowy, 100 części wagowych,

- żywica, 0,8 części wagowych,

- poliizocyjanian, 0,8 części wagowych.

Odważoną i wysuszoną (wilgotność nie może przekraczać 0,2%!) porcję piasku kwarcowego wsypujemy do mieszarki, dodajemy poliizocyjanian i mieszamy przez 1,5 minuty. Następnie dodajemy odważoną ilość żywicy i miesza się następne 1,5 minuty. Przygotwaną masę usuwamy z mieszarki, wsypuemy do szczelnego pojemnika i dostarczamy do miejsca formowania.

Podłużne kształtki laboratoryjne do oznaczania wytrzymałości na zginanie sporządzamy w dwugniazdowej rdzennicy wykonanej z tworzywa sztucznego. Wsypujemy masę odpowiednimi porcjami do komory strzałowej, aby uniknąć kilkakrotnego przedmuchiwania, a następnie komorę montujemy w strzelarce.

Kształtki zagęszczamy za pomoca strzelarki w czasie 1s, przy ciśnieniu powietrza 0,6MPa. Następnie utwardzamy kształtki utwardzaczem aminowym w ilości około 1mlna 250g masy, co odpowiada wykonaniu 2 kształtek. Przedmuchiwanie aminami odbywa się w czasie 10s przy ciśnieniu 0,1MPa.

Po zagęszczeniu i utwardzeniu kształtki usuwamy z rdzennicy i umieszczamy na podkładce, notujac czas ich wykonania. Pomiaru wytrzymałości dokonujemy na aparacie do pomiaru wytrzymałości mas formierskich typ LRu-2e co 20 minut oczasu wykonania kształtek, stosując po 3 kształtki na 1 punkt pomiarowy.

Po dokonaniu pomiarów otrzymaliśmy następujące wyniki:

Wartości wytrzymałości , MPa
Numer próbki
1
2
3
Średnia

Z powyższych wyników możemy zbudować wykres zależności wartości wytrzymałości od czasu suszenia się na powietrzu kształtek laboratoryjnych:

.

.

1. Wnioski

Wnioskując z wykresu i danych w tabeli, możemy stwierdzić że kształtki wykazują dobrą wytrzymałość ( w naszym przypadku w zakresie od 234,8 N/cm² do 358,1 N/cm²) i zadowalającą żywotność (ogólnie dla danego rodzaju masy wynosi ona 1,5-3,5h). wszelakie odchylenia (np. wytrzymałość przy czasie odstawiania kształtek równym 20 minut jest niższa niż od razu po wykonaniu kształtek) mogą świadczyć o deformacji kształtek, ich uszkodzeniu w procesie wyjmowania z rdzennicy lub przy przenoszeniu do miejsca badania wytrzumałości. Tym też można wyjaśnić wiejkie różnice w wartości wytrzymałości kształtek z tej samej próbki. Aby zmniejszyć deformacje masy moglibyśmy dodac wiece izocyjanianu przy wykonaniu masy tak, aby stosunek zawartości żywicy fenolowej do ilości izocyjanianu wynosił 1:1,2 lub nawet 1:1,5 ( w naszym przypadku stosunek ten był 1:1). Ogólnie możemy zaiważycz tendencję wzrostu wytrzymałości kształtek wykonanych metodą cold-box na zginanie ze wzrostem czasu odstawiania.