Uvod
Smola lijevanje pijeska je jedna od najsvestranijih i najraširenijih metoda kalupljenja u modernoj ljevaoničkoj proizvodnji.
Kombinira dobru točnost dimenzija, visoka krutost kalupa, snažna prilagodljivost složenim oblicima, i široka kompatibilnost sa željezom, čelik, i legure obojenih metala.
Istovremeno, sustavi smole i pijeska nisu “jedan materijal, jedan rezultat."
Njihov učinak ovisi o kemiji smole, vrsta učvršćivača, čistoća pijeska, uvjeti okoline, veličina odljevka, temperatura ulijevanja, i strategija reklamacije.
1. Zašto se fosforna kiselina često koristi kao učvršćivač za furanske samovezujuće smole s visokim udjelom dušika, ali rijetko za furanske smole s niskim sadržajem dušika?
Razlog leži u interakciji između kemije smole, ponašanje u vodi, i stvaranje mreže tijekom stvrdnjavanja.
U furanskim smolama s niskim sadržajem dušika, stvrdnjavanje kiselinom često je sporije i manje učinkovito, što dovodi do duljeg vremena skidanja i manje zelene čvrstoće.
Za razliku od, furanske smole s visokim udjelom dušika učinkovitije reagiraju na fosfornu kiselinu, omogućujući sustavu postizanje brzine stvrdnjavanja i konačne čvrstoće potrebne za praktično oblikovanje i izradu jezgri.
Ključni tehnički čimbenik je način na koji fosforna kiselina stupa u interakciju s vlagom. U sustavima s niskim sadržajem dušika, fosforna kiselina ima relativno slabu sposobnost miješanja sa smolom i jak afinitet prema vodi.
Kao rezultat, vlaga iz smole i kondenzacije tijekom stvrdnjavanja može se akumulirati oko zona bogatih kiselinom, stvarajući lokalizirane kapljice vode ili slaba područja u smolastom filmu.
To slabi strukturu stvrdnute veze i smanjuje čvrstoću.
Furanske smole s visokim udjelom dušika ponašaju se drugačije. Njihova je kompatibilnost s vodom bolja, manja je vjerojatnost da će se vlaga skupiti u koncentrirane kapljice, a stvrdnuti film teži biti gušći i jednoličniji.
Zato fosforna kiselina može biti praktičan učvršćivač u jednom furanskom sustavu, ali loš izbor u drugom.
2. Zašto je propusnost stvrdnjavanja fenol-uretanskog samovezujućeg smolnog pijeska bolja od one furanskog samovezujućeg smolnog pijeska?
Fenolno-uretanski sustavi smola stvrdnjavaju se uglavnom reakcijom polimerizacijskog tipa, koji ne stvara velike količine hlapljivih nusproizvoda kao što je voda.
Zbog toga, brzina otvrdnjavanja ima tendenciju da bude ujednačenija kroz pješčanu masu, a razlika između vanjskog sloja i unutarnjeg sloja je relativno mala.
Furanske samovezujuće smole, za razliku od, stvrdnjavanje kroz reakciju kondenzacije koja proizvodi vodu tijekom stvrdnjavanja. Ova voda mora difundirati iz kalupa ili jezgre.
Budući da se unutarnji i vanjski dijelovi pješčane mase suše i stvrdnjavaju različitim brzinama, profil otvrdnjavanja postaje manje ujednačen.
Zbog toga su furanski sustavi osjetljiviji na vlagu okoline i često pokazuju slabiju propusnost stvrdnjavanja od fenol-uretanskih sustava.
Praktično, pijesak od fenol-uretanske smole često daje pouzdaniju čvrstoću jezgre kroz cijeli poprečni presjek, osobito u debljim ili složenijim jezgrama.
3. Zašto se furanske smole s visokim sadržajem dušika mogu koristiti za aluminijske i bakrene odljevke?
Glavni razlog je taj što aluminij i bakar imaju vrlo nisku topljivost dušika u rastaljenom metalu.
Čak i ako smola stvara dušik tijekom izlijevanja i toplinske razgradnje, rastaljeni aluminij ili bakar ga vjerojatno neće apsorbirati u značajnoj količini.
Kao rezultat, rizik od plinske poroznosti povezane s dušikom mnogo je manji nego što bi bio kod lijevanja čelika.
To znači da se smole s visokim udjelom dušika mogu odabrati kada ljevaonica želi postići dobro ponašanje pri kolapsu, visoka čvrstoća kalupa, ili prikladne karakteristike stvrdnjavanja bez stvaranja ozbiljnih nedostataka plina u aluminijskim ili bakrenim odljevcima.
Drugim riječima, metalni sustav je važan jednako kao i smolasti sustav.
Smola koja bi bila problematična u čeliku može biti savršeno prihvatljiva u proizvodnji obojenih metala.
4. Zašto su keramičke cijevi poželjnije za sustav zatvaranja kada se smolasti pijesak koristi za teške odljevke?
Za teške odljevke, vrijeme izlijevanja je dulje i rastaljeni metal ostaje u kontaktu sa sustavom lijevanja dulje vrijeme.
Pod ovim uvjetima, visoko toplinsko opterećenje može prerano oslabiti pijesak vezan smolom i uzrokovati urušavanje ili erodiranje zapornih kanala.
To može dovesti do uključivanja pijeska, metalna turbulencija, i drugi nedostaci izlijevanja.
Keramičke cijevi rješavaju ovaj problem nudeći mnogo bolju toplinsku otpornost i otpornost na eroziju od običnih kanala od smole i pijeska.
Posebno su korisni u sustavu uliva i vodilica, gdje je struja metala najtoplija i toplinski napad najjači.
Keramičke cijevi također smanjuju potrebu za premazivanjem u nekim zonama i pružaju stabilniji put protoka za velike ili teške odljevke.
5. Kako možemo utvrditi je li vrijeme rada smolnog pijeska dovoljno?
Radno vrijeme, ili život na klupi, mora biti dovoljno duga da se cijela operacija oblikovanja ili izrade jezgre završi prije nego što pijesak izgubi svoju plastičnost i sposobnost zbijanja.
Za povremenu miješalicu pijeska, radno vrijeme treba premašiti interval od trenutka ispuštanja miješanog pijeska do njegove potpune upotrebe.
Za kontinuiranu miješalicu, radno vrijeme treba biti duže od vremena potrebnog da pijesak putuje od izlaza miješalice kroz jedan puni ciklus isporuke pijeska i vrati se na istu točku proizvodnog slijeda.
U praksi, ovo nije samo teorijski parametar.
Ako je radno vrijeme prekratko, pijesak se počinje stvrdnjavati tijekom rada, uzrokujući slabo zbijanje, nedosljednost dimenzija, i površinski nedostaci.
Siguran dizajn procesa uvijek ostavlja značajnu marginu između vijeka radnog stola i stvarnog vremena proizvodnje.
6. Zašto bi kut gaza uzorka smolastog pijeska trebao biti veći od onog koji se koristi za pijesak vezan glinom?
Kalupi i jezgre od smolastog pijeska stvrdnjavaju se s relativno velikom krutošću i vrlo malom sposobnošću kolapsa tijekom povlačenja uzorka.
Za razliku od pijeska vezanog glinom, pijesak vezan smolom ne deformira se lako niti popušta da bi oslobodio uzorak. Kao rezultat, trenje povlačenja je veće, a opasnost od oštećenja površine kalupa je veća.
Istovremeno, smolasto-pješčani kalupi i jezgre manje se mogu popraviti od glineno-pješčanih kalupa.
Ako je površina kalupa poderana ili slomljena tijekom uklanjanja uzorka, popravci su teži i mogu ugroziti konačnu kvalitetu.
Veći kut gaza smanjuje otpor povlačenja, smanjuje mogućnost oštećenja, i poboljšava konzistenciju oslobađanja kalupa.
7. Zašto se u proizvodnji lijevanog željeza od smole i pijeska općenito preferira manje skupljajućih i više ventilacijskih cijevi?
Kalupi od smole i pijeska su kruti i dobro održavaju svoj oblik tijekom izlijevanja, posebno u početnoj fazi.
To ih čini posebno prikladnima za iskorištavanje prednosti ekspanzije grafita u skrućivanju lijevanog željeza.
U proizvodnji sivog i nodularnog lijeva, to širenje može pomoći smanjiti ili čak eliminirati nedostatke skupljanja, što znači da će možda biti potrebno manje skupljajućih uspona.
Međutim, smolasti pijesak također stvara plin tijekom zagrijavanja i razgradnje. Budući da je kalup jak i relativno zatvoren, plin mora biti učinkovito ispušten.
Zbog toga je često potrebno više otvora za ventilaciju. Njihova uloga nije dovod metala, ali kako bi se osigurali izlazni putovi za plin i paru koji nastaju tijekom izlijevanja.
Jednostavnim rječnikom rečeno, smolasti pijesak podržava filozofiju lijevanja niskog dizanja, ali samo ako je odzračivanje pravilno projektirano.
8. Zašto furan samostvrdnjavajuća smola koja sadrži oko 70%–80% furfuril alkohola obično pokazuje najveću konačnu čvrstoću na sobnoj temperaturi?
Ovaj raspon predstavlja praktičnu ravnotežu između razvoja snage, sadržaj vode, i učinkovitost stvrdnjavanja.
Ako je sadržaj furfuril alkohola prenizak, smola postaje pod snažnijim utjecajem drugih komponenti smole i sadržaj vode raste, što može usporiti stvrdnjavanje i smanjiti konačnu čvrstoću.
Ako je sadržaj furfuril alkohola previsok, udio koji sadrži dušik postaje prenizak, a mreža smole možda neće postići istu strukturu otvrdnjavanja ili konačnu izvedbu.
U rasponu od otprilike 70%-80%., formulacija smole često postiže najbolju ravnotežu između reaktivnosti, formiranje mreže, i gustoća stvrdnute strukture.
Zbog toga je konačna čvrstoća na sobnoj temperaturi često maksimizirana u ovom prozoru sastava.
9. Zašto mogu previše aktivni učvršćivači, ili prekomjerno doziranje učvršćivača, smanjiti konačnu čvrstoću smolastog pijeska?
Ako stvrdnjavanje počne prebrzo, smola se može umrežiti prije nego što njeni molekularni lanci imaju dovoljno vremena da se produže, orijentirati, i čine dobro razvijenu mrežu.
Drugim riječima, sustav se prerano "zaključa"..
Vrlo aktivan učvršćivač može proizvesti brzu početnu čvrstoću, koji mogu izgledati atraktivno na podu trgovine.
Ali ako se polimerna mreža stvara prebrzo, rezultirajuća struktura može postati manje cjelovita i manje učinkovita, ostavljajući neke reaktivne skupine neiskorištene.
Isti problem se može dogoditi kada je doza učvršćivača prevelika. Rezultat je često visoka početna čvrstoća, ali niža krajnja čvrstoća.
Ovo je klasičan slučaj sukoba brzine procesa s konačnom kvalitetom. Brže stvrdnjavanje nije uvijek bolje ako žrtvuje cjelovitost mreže stvrdnute smole.
10. Zašto se smolasti pijesak stvrdnut fosfornom kiselinom ne smije koristiti za regeneraciju starog pijeska?
Problem je što fosforna kiselina može ostaviti ostatke fosfata na zrncima pijeska nakon izlijevanja.
Te ostatke nije lako uništiti toplinskim djelovanjem rastaljenog metala i teško ih je ukloniti tijekom reklamacije.
Kao rezultat, obnovljeni pijesak postaje kontaminiran na način koji izravno utječe na buduće vezivanje smole.
Ostaci fosfata smanjuju čvrstoću ponovno korištene mješavine pijeska i također mogu povećati tendenciju širenja kalupa i rizik od inkluzije pijeska.
Ako ljevaonica ovisi o ponovnoj uporabi i reklamaciji, učvršćivač koji ostavlja postojane mineralne ostatke obično je loš dugoročni izbor.
11. Zašto je bolje koristiti organske kiseline s niskim udjelom slobodnih kiselina i visokom ukupnom kiselošću za pijesak od fenolne smole stvrdnut kiselinom?
Fenolne smole s kiselim otvrdnjavanjem često sadrže relativno visok sadržaj vlage.
Tijekom stvrdnjavanja, sama smola stvara vodu kroz kondenzaciju, a dodatna voda može već biti prisutna u sustavu. Ta voda razrjeđuje kiseli učvršćivač i usporava reakciju.
Ako je sadržaj slobodne kiseline previsok, stvrdnjavanje se može ubrzati, ali čvrstoća pijeska može previše pasti.
Stoga, idealan učvršćivač je onaj koji osigurava dovoljno ukupne kiselosti da učinkovito pokrene reakciju dok održava slobodnu kiselinu na umjerenoj razini tako da snaga nije pretjerano žrtvovana.
Organske kiseline s visokom ukupnom kiselošću i relativno niskom količinom slobodne kiseline stoga su često bolje uravnotežene za ovu vrstu sustava smole.
12. Zašto bi se doza učvršćivača za pijesak od fenolne smole očvrsnuo kiselinom trebala izraziti kao postotak smole?
Točna doza uvelike ovisi o količini smole u sustavu, jer kiselina mora djelovati na smolnu masu čiji se sadržaj vode i kemijsko opterećenje mijenjaju s dodatkom smole.
Sustavi fenolnih smola manje su osjetljivi na kiseline od nekih furanskih sustava, tako da do smislenog izlječenja može doći tek kada koncentracija kiseline dosegne dovoljno visoku razinu.
Budući da sama smola sadrži vlagu i može otpustiti više vode tijekom stvrdnjavanja, povećanjem količine smole povećava se učinak razrjeđivanja na učvršćivač.
Za održavanje iste brzine stvrdnjavanja, doza učvršćivača stoga mora rasti s dozom smole.
Izražavanje učvršćivača kao postotka smole daje realističniju i kontroliraniju osnovu formulacije.
13. Zašto svježe ogoljene ili svježe popravljene jezgre ne treba odmah premazati?
Kada je jezgra upravo skinuta ili popravljena, reakcija stvrdnjavanja smole je još uvijek u ranoj fazi.
Ako se odmah nanese premaz na bazi vode, voda ili otapalo mogu ometati tekuće stvrdnjavanje, posebno u sustavima osjetljivim na vlagu.
U sustavima fenol-uretanske smole, neizreagirane komponente izocijanata također mogu reagirati s vodom, što može oštetiti predviđenu kemiju za stvrdnjavanje.
Ako se koristi premaz na bazi alkohola, paljenje tijekom sušenja može pregrijati ili pregorjeti površinu smole koja još uvijek reagira.
U oba slučaja, prerano premazivanje može oslabiti stabilnost površine i smanjiti pouzdanost kalupa ili jezgre.
Često je potrebno kratko razdoblje čekanja kako bi se površina mogla stabilizirati prije premazivanja.
14. Zašto je recikliranje starog pijeska iz sustava alkalnih fenolnih smola teško?
Sustavi alkalnih fenolnih smola često imaju visoku bazičnost, a smola može sadržavati značajnu količinu lužine, kao što je kalijev hidroksid.
Tijekom izlijevanja, ova alkalija može reagirati sa silikatnim pijeskom u obliku silikata niskog tališta.
Ovi silikati se mogu snažno spojiti s površinom zrna pijeska, što ih je teško ukloniti tijekom reklamacije.
Kao rezultat, kvaliteta ponovno korištenog pijeska opada, raste teret čišćenja, a obnovljeni materijal postaje teže vratiti u stabilno stanje.
Zbog toga alkalni fenolni sustavi mogu biti veći izazov u dugoročnom obnavljanju pijeska od mnogih drugih sustava smola.
15. Koje čimbenike treba uzeti u obzir pri odabiru vrste smole za odljev?
Odabir smole nikada ne bi trebao biti samo navikom. Trebao bi se temeljiti na leguri za lijevanje, veličina i debljina stijenke odljevka, temperatura izlijevanja, i rizik od kvarova povezanih sa strukturom.
Prvi, materijal za odljev je bitan.
Ako je odljevak čelik ili visokolegirano željezo i poroznost dušika je problem, smola s niskim sadržajem dušika ili bez dušika obično je sigurnija.
Ako je odljevak sivi ili nodularni ljev, gdje je poroznost dušika manje zabrinjavajuća, smola sa srednjim sadržajem dušika može biti prihvatljiva.
Za bakrene i aluminijske odljevke, gdje rastaljeni metal ne apsorbira dušik lako, smola s visokim udjelom dušika može biti praktičan izbor.
Drugi, bitna je veličina i debljina.
Teška, odljevci debelih stijenki i visoke temperature izlijevanja zahtijevaju sustave smole s jačim performansama pri visokim temperaturama.
U takvim slučajevima, često se preferira smola s višim udjelom furfurilnog alkohola i nižim udjelom urea-formaldehida kako bi jezgra ili kalup mogli zadržati dovoljno čvrstoće pod toplinom.
Za manje, odljevci tankih stijenki s nižim temperaturama lijevanja, može biti dovoljna jeftinija smola s višim sadržajem uree.
Treći, bitna je strukturna tendencija odljevka.
Ako je odljevak sklon vrućem pucanju, vezivo niže vruće čvrstoće zapravo može biti nepoželjno; smola mora poduprijeti metal dok skrućivanje ne postane stabilno.
Ako je odljevak sklon hladnom pucanju, vezivo bi se trebalo dobro skupiti nakon izlijevanja tako da se odljevak može slobodno stezati bez pretjeranog ograničenja.
Ukratko, izbor smole je problem podudaranja. Ispravna smola je ona koja uravnotežuje stvaranje plina, vruća snaga, ponašanje kolapsa, brzina stvrdnjavanja, izvedba reklamacije, i rizik od kvara za određeni odljevak.
Zaključak
Lijevanje smolnim pijeskom proces je u kojem su kemija i metalurgija usko povezane.
Ista ljevaonica može postići vrlo različite rezultate jednostavnom promjenom učvršćivača, obitelj smole, metoda reklamacije, ili vrijeme nanošenja premaza.
Zato je praktično znanje toliko važno u ovom području.
Dobar proces smolnog pijeska nije samo brz i jak. Također je stabilan, predvidljiv, i kompatibilan s legurom za lijevanje, geometrija, i proizvodni ciklus.
Kada je sustav smole pravilno odabran i kontroliran, lijevanje u pijesku od smole postaje jedan od najučinkovitijih načina za proizvodnju preciznih i složenih metalnih odljevaka.
