1. Oznaczenie właściwości mas rdzeniowych wykonywanych technologią zimnej rdzennicy [cold-box]
Ogólna charakterystyka sypkich mas szybkoutwardzalnych (cold-box) - W procesie cold-box pary katalizatora są przedmuchiwane przez masę formierską lub rdzeniową, wykonaną z udziałem żywicy. Powodują one natychmiastowe jej utwardzenie w temperaturze otoczenia. Mała lepkość żywicy umożliwia wykorzystanie wszystkich rodzajów mieszarek do wytwarzania masy. Masa może być zagęszczana ręcznie, wibracyjnie, lub za pomocą strzelarek i nadmuchiwarek. Pary katalizatora (trójetyloaminy, dwumetyloaminy, lub dwumetyloizopropyloaminy), są wytwarzane w urządzeniach o konstrukcji umożliwiającej uzyskanie dużej prężności aminy w gazie obojętnym lub powietrzu. Nadmiar aminy jest usuwany przez przedmuchiwanie rdzenia powietrzem. Usunięta amina jest poddana procesowi odzysku i kierowana do następnego cyklu utwardzania. Rdzenie po utwardzeniu posiadają dużą wytrzymałość i mogą być transportowane, wykańczane, łączone ze sobą.Jakość stosowanej osnowy ziarnowej ma bardzo istotny wpływ na jakość uzyskanych rdzeni, a tym samym na jakość odlewów. Zaleca się stosowanie osnowy o takiej ziarnistości, która umożliwia uzyskanie dobrej powierzchni rdzeni i odpowiedniej przepuszczalności masy. Zanieczyszczenia alkaliczne osnowy ziarnowej, działając jak utwardzacz żywicy, powodują często skrócenie czasu przydatności masy do formowania. Temperatura osnowy ziarnowej powinna wynosić 20 - 25oC. Niższa lub wyższa temperatura może stwarzać problemy z wykonaniem rdzeni. Zaleca się stosowanie wilgotności osnowy na poziomie 0,1%. Wzrost wilgotności osnowy ziarnowej powyżej 0,25% powoduje znaczny spadek wytrzymałości masy i skrócenie czasu jej przydatności do formowania. Jako oprzyrządowanie modelowe można stosować żeliwo, aluminium, żywice epoksydowe i uretanowe.
Procesy zaliczane do technologii cold-box:
· Alkidowy proces Ashlanda.
· Fenolowy proces Ashlanda (klasyczny Cold-box)
· Proces cold-box plus.
· Proces mrówczanowy (beta set).
· Proces red-set.
· Klasyczny proces SO2.
a. Proces Socor - procesie tym spoiwo składa się z technicznego węglanu sodu (Na2CO3) oraz technicznego wodorotlenku sodu (NaOH). Na 100 cz. wag. osnowy kwarcowej dodaje się 2,5 cz. wag. technicznego węglanu sodu, 2 cz. wag. technicznego wodorotlenku sodu i 2,5 cz. wag. wody. Celem zmniejszenia osypliwości dodaje się 0,5÷1,0 cz. wag. dekstryny. Zagęszczoną masę przedmuchuje się CO2. Masę stosuje się na rdzenie do stopów Al i w tym przypadku rozpadają się w wodzie, co umożliwia łatwe ich usunięcie z odlewu. Przy stopach o wyższej temperaturze tworzy się krzemian sodu, który nie rozpada się szybko pod wpływem wody.
b. Alkidowy proces Ashlanda
Jako osnowę można stosować różne piaski: kwarcowe, chromitowe, cyrkonowe, oliwinowe, trzy ostatnie znajdują głównie zastosowanie w odlewnictwie staliwa, przy czym głównie jest używany piasek chromitowy.
Spoiwo skład się z dwóch komponentów: żywicy alkidowej i izocyjanianu.
Utwardzanie masy następuje w wyniku przedmuchiwania zagęszczonej masy mieszanina powietrza i trietyloaminy (C2H5)3N. W procesie tym na 100 cz. wag. piasku kwarcowego dodaje się po 1 cz. wag. żywicy alkidowej i izocyjanianu.
Czas przedmuchiwania mieszanina powietrza i trietyloaminy wynosi 3÷50 s a ciśnienie dmuchu około 0,5 MPa. W celu usunięcia resztek aminy rdzeń przedmuchuje się dodatkowo powietrzem przez 5÷10 s. Powietrze po przejściu przez rdzeń poddawane jest procesowi neutralizacji aminy. Ze względu na toksyczność i wybuchowość trietyloaminy układ powinien być hermetycznie zamknięty.
Żywotność tej masy wynosi 2÷3 h.
c. Fenolowy proces Ashland (klasyczny proces cold-box)
Zasada procesu polega na sporządzeniu masy 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) z powietrzem lub CO2.
Osnowa mas - stanowi piasek kwarcowy dobrze wysuszony (wilgotność nie powinna przekraczać 0,1 %) i o możliwie najmniejszej zawartości lepiszcza (do 0,2%). Zwiększenie zawartości lepiszcza powyżej 0,3% powoduje nie tylko wzrost zużycia spoiwa, lecz także skrócenie czasu żywotności masy. Zaleca się stosowanie piasku o ziarnach kulistych lub owalnych, co pozytywnie wpływa na obniżenie zużycia spoiwa. Średnia wielkość ziarna dL piasków przeznaczonych na masy do odlewów żeliwnych wynosi około 0,2¸0,25 mm; do odlewów staliwnych jest nieco większa. Sygnalizowana jest również możliwość zastosowania regeneratu powoduje on zmniejszenie ilości takich wad, jak żyłki oraz polepszenie gładkości powierzchni odlewów.
Katalizator (amina)
Katalizatorem (przyspieszaczem) w fenolowym procesie cold-box jest trietyloamina (TEA), dimetyloetyloamina (DMEA) lub dimetyloizopropyloamina (DMIA), przy czym najczęściej stosuje się TEA.
Utwardzanie spoiwa
W wyniku reakcji izocyjanianów z substancjami zawierającymi grupę OH tworzą się poliuretany uważane za czynnik wiążący ziarna osnowy piaskowej. Izocyjaniany mogą także reagować z aminami, dając pochodne mocznika. Reakcja polega na przechodzeniu atomów wodoru z alkoholu wielowodorotlenowego (żywicy) w pozycje atomów węgla w izocyjanianie. Proces utwardzania jest wrażliwy na wpływ wielu czynników technologicznych.
Przygotowanie masy
Do sporządzania masy w zasadzie zaleca się mieszarki. Ze względu na to, że obydwa składniki spoiwa (izocyjanian i żywicę) wprowadza się z dodatkiem rozpuszczalnika, nie powinno w mieszarce następować podgrzewanie masy i jej areacja, gdyż powoduje to odparowanie rozpuszczalnika i skrócenie żywotności masy. Nie mogą być zatem stosowane mieszarki pobocznicowe. Z tego samego powodu czas mieszania nie powinien być zbyt długi i w zasadzie nie przekracza 3 minut. W pierwszej kolejności do mieszarki należy wprowadzać izocyjanian. Jednoczesne wprowadzenie obydwu składników pogarsza właściwości masy. Stosunek izocyjanianu do żywicy powinien wynosić 1 : 1, może być stosowany pewien nadmiar izocyjanianu. Niedobór izocyjanianu prowadzi do wytwarzania rdzeni o małej zdolności do przechowywania i dużej wrażliwości na działanie wilgoci
Składniki masy (żywica i ziocyjanian) bez przyspieszacza (aminy) reagują ze sobą. chociaż z małą intensywnością, dlatego żywotność masy wynosi 1,5÷3,5 h przy czym wyraźnie skraca się w miarę wzrostu zawartości wilgoci w osnowie.
Do zagęszczania masy stosuje się strzelarki, gdyż masa ma dobrą płynność. Zagęszczoną masę przedmuchuje się TEA, DMEA lub DMIA rozproszoną w powietrzu lub w CO2, przy czym ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu mieszanki powietrznej lepiej stosować CO2. Czas przedmuchiwania rdzeni zależy od wielkości i stopnia skomplikowania rdzeni i wynosi 1÷30 s. Po przedmuchaniu rdzenia katalizatorem usuwa się z masy resztki przyspieszacza przez przedmuchanie rdzenia sprężonym powietrzem (0,2÷0,3 MPa). Ilość aminy potrzebna do utwardzenia masy wynosi 2÷5% ilości spoiwa.
Metoda ta jest stosowana przede wszystkim do zautomatyzowanej produkcji małych (poniżej 1 kg) i średnich rdzeni. Wydajność z jednej rdzennicy przekracza 2500 rdzeni w ciągu jednej zmiany. Proces może być zastosowany również do wytwarzania małych form.
d. Proces Cold-box plus
Proces ten jest modyfikacją fenolowego procesu Ashland. Modyfikacja ta polega na zastosowaniu rdzennicy podgrzanej wodą lub innym nośnikiem ciepła do temperatury 40÷80oC. Ciepło rdzennicy oddziałuje tylko na kilka milimetrów w głąb rdzenia i nie powoduje utwardzenia masy wprowadzonej do rdzennicy. Utwardzenie następuje dopiero po przedmuchaniu utwardzaczem. Rdzenie uzyskane w ten sposób są mniej wrażliwe na wilgotność względną otoczenia i temperaturę. Masa stosowana w procesie cold-box plus może zawierać mniejszy dodatek spoiwa (ok. 1 cz. wag.), dobrze wstrzeliwuje się do rdzennicy i wymaga krótszego czasu przedmuchiwania utwardzaczem. Równocześnie stwarza się korzystny – w stosunku do klasycznego fenolowego procesu Ashland – układ wytrzymałości masy w rdzeniu, gdyż wytrzymałość jest największa w powierzchniowej warstwie rdzenia. Wykonane rdzenie maja mniejszą wrażliwość na wilgoć zawartą w powietrzu.
e. Proces mrówczanowy (betaset) Jako spoiwo stosuje się w tym przypadku silnie alkaliczną żywicę fenolową typu rezolowego (pH = 11÷13,5) oraz estrowy utwardzacz. Utwardzanie, zgodnie z zasadą sypkich mas szybkoutwardzalnych, następuje w wyniku przedmuchiwania masy ukształtowanej w postaci rdzenia lub części formy mrówczanem metylu – ester metylowy kwasu mrówkowego HCOOCH3.
Ze względu na alkaliczny charakter spoiwa można stosować piaski alkaliczne (chromitowy, oliwinowy). Średnia wielkość ziarna 0,125÷0,325 mm. Do piasku kwarcowego dodaje się 1,2÷1,8 cz. wag. żywicy.
Ilość utwardzacza wymagana do utwardzenia masy mieści się w granicach 10÷30% w stosunku do dodatku żywicy. Nośnikiem utwardzacza jest powietrze, w którym rozprasza się za pomocą specjalnych urządzeń mrówczan metylu (zwykle podgrzany w zbiorniku do 25oC). Ciśnienie przedmuchiwanej mieszanki utwardzającej wynosi około 0,3 MPa. W wyniku reakcji żywicy z utwardzaczem powstaje usieciowane spoiwo makromolekularne oraz produkty uboczne w postaci alkoholu metylowego CH3OH i mrówczanu potasu. Utwardzacz, podczas wiązania, wchodzi w reakcję z żywicą i dlatego jego pozostałość w utwardzonej masie jest mniejsza niż aminy w fenolowym procesie Ashland, w którym amina nie wchodzi w reakcję ze spoiwem, a spełnia jedynie rolę katalizatora. Masa charakteryzuje się długą żywotnością (nawet do 8 h). Rdzenie z tej masy nie tracą swoich właściwości podczas dłuższego przechowywania, a nawet po dłuższym przebywaniu w wilgotnej formie. Masa ta oceniana jest jako stosunkowo mało szkodliwa dla otoczenia.
Masa ma dobrą wybijalność, a równocześnie dużą stabilność cieplną (mała deformacja w podwyższonej temperaturze), co pozwala uzyskać odlewy o dużej dokładności wymiarowej. Nie ma wad spowodowanych węglem błyszczącym oraz nakłuć. Masa nadaje się do sporządzania rdzeni (rzadziej form) do odlewów żeliwnych, staliwnych i z metali nieżelaznych.
Masę można poddawać regeneracji mechanicznej lub cieplno-mechanicznej. Odzyskuje się do 80% osnowy piaskowej. Masa oceniana jest jako stosunkowo mało szkodliwa dla otoczenia. Podczas odlewania wydzielają się formaldehyd, alkohol furfurylowy, benzen, toluen, ksylen, inne węglowodory aromatyczne, tlenek węgla, dwutlenek azotu, tlenek azotu, dwutlenek węgla.
f. Proces red-set
W procesie red-set, którego nazwa pochodzi od czerwonej barwy masy jako spoiwo stosuje się związki fenolowe i ich oligomery tj. silnie reaktywne związki fenolowe oparte w dużym stopniu na rezorcynie. Utwardzanie spoiwa następuje w środowisku kwaśnym w obecności formaldehydu. Jako nośniki formaldehydu stosuje się niektóre acetale, np. metylal. Acetale są stabilne w środowisku obojętnym i zasadowym, natomiast hydrolizują w środowisku kwaśnym z wydzieleniem formaldehydu, który ze spoiwem zawierającym związki fenolowe tworzy rezol. Rezol w obecności kwasu (stosuje się kwasy sulfonowe lub mineralne) tworzy usieciowany produkt końcowy, wiążący ziarna osnowy piaskowej. Dodatek spoiwa wynosi 0,8÷1,4 części wagowej, a kwasu 0,5÷0,9 części wagowej. Zużycie utwardzacza wynosi około 40÷50% ilości spoiwa. Sporządzona masa ma bardzo długą żywotność – kilka dni. Wytrzymałość na zginanie tej masy zmienia się od 2,8 MPa po 15 s od chwili przedmuchania utwardzaczem do 3,2 MPa po 24 h składowania (rdzeni). Składowane rdzenie są mało wrażliwe na wilgotność względną otoczenia. Masa ma dobrą wybijalność, tak przy wykonywaniu odlewów ze stopów żelaza, jak i z metali lekkich. Charakteryzuje się również małą szkodliwością dla otoczenia.
g. Klasyczny proces SO2
Zasada procesu polega na sporządzeniu masy składającej się z osnowy piaskowej, spoiwa i utleniacza. Masę o takim składzie, zagęszczoną w rdzennicy lub w skrzynce formierskiej, przedmuchuje się ditlenkiem siarki SO2. Wprowadzany do masy utleniacz powoduje przejście wdmuchiwanego do zagęszczonej masy SO2 w SO3. Wytworzony w wyniku tej reakcji SO3 tworzy z zawartą w masie wodą kwas siarkowy(VI), który powoduje szybkie utwardzenie masy. W procesie tym stosuje się żywice furfurylowe: fenolowo-formaldehydowo-furfurylowe, mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowe, mocznikowo-fenolowo-furfurylowe, formaldehydowo-furfurylowe. Jako utleniacze stosowane są nadtlenki: metylo-etylo-ketonu (NMEK) albo metylo-izobutylo-ketonu (NMIBK). Zawartość spoiwa w masie wynosi 0,8÷1,5 części wagowych i zależy od jakości osnowy i wymaganej wytrzymałości. Dodatek nadtlenku wynosi 25÷50% w stosunku do ilości spoiwa, przy czym zwiększa się w miarę obniżania temperatury masy. Masa charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na zginanie, która wynosi 4÷8 MPa, przy czym bezpośrednio po przedmuchaniu SO2 wartość wytrzymałości stanowi około 60% wytrzymałości ostatecznej, zaś po upływie 5 minut od przedmuchania – może osiągnąć nawet 90% wytrzymałości ostatecznej. Masa ma dobrą płynność i wybijalność. Żywotność masy mieści się w granicach 10÷18 h. Rdzenie można długo przechowywać bez wyraźnej zmiany właściwości, nawet w warunkach zwiększonej wilgotności powietrza. Z masy tej wykonuje się rdzenie i formy do małych i średnich odlewów ze wszystkich stopów. Wykonuje się przede wszystkim odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego, a także dla przemysłu budowy maszyn, lotniczego i innych.
GTAWLK