Zavedenie
Živica odlievanie piesku je jednou z najuniverzálnejších a najpoužívanejších formovacích metód v modernej zlievárenskej výrobe.
Kombinuje dobrú rozmerovú presnosť, vysoká tuhosť formy, silná prispôsobivosť zložitým tvarom, a široká kompatibilita so železom, oceľ, a neželezných zliatin.
V rovnakom čase, živicové pieskové systémy nie sú „jeden materiál, jeden výsledok."
Ich výkon závisí od chémie živice, typ tužidla, čistota piesku, okolité podmienky, veľkosť odliatku, teplota nalievania, a rekultivačnej stratégie.
1. Prečo sa kyselina fosforečná často používa ako tvrdidlo pre samotuhnúce živice furán s vysokým obsahom dusíka, ale zriedka pre furánové živice s nízkym obsahom dusíka?
Dôvod spočíva v interakcii medzi chémiou živice, správanie vody, a vytváranie siete počas vytvrdzovania.
Vo furánových živiciach s nízkym obsahom dusíka, tvrdnutie kyselinou je často pomalšie a menej účinné, čo vedie k dlhším časom odizolovania a nižšej pevnosti v surovom stave.
Na rozdiel od, furánové živice s vysokým obsahom dusíka reagujú účinnejšie na kyselinu fosforečnú, čo umožňuje systému dosiahnuť rýchlosť vytvrdzovania a konečnú pevnosť potrebnú na praktické formovanie a výrobu jadra.
Kľúčovým technickým faktorom je spôsob, akým kyselina fosforečná interaguje s vlhkosťou. V systémoch s nízkym obsahom dusíka, kyselina fosforečná má relatívne slabú miešateľnosť so živicou a silnú afinitu k vode.
V dôsledku, vlhkosť zo živice a z kondenzácie počas vytvrdzovania sa môže hromadiť okolo oblastí bohatých na kyseliny, vytváranie lokalizovaných vodných kvapiek alebo slabých oblastí v živicovom filme.
To oslabuje štruktúru vytvrdeného spoja a znižuje pevnosť.
Furánové živice s vysokým obsahom dusíka sa správajú odlišne. Ich kompatibilita s vodou je lepšia, je menej pravdepodobné, že sa vlhkosť zhromaždí do koncentrovaných kvapiek, a vytvrdený film má tendenciu byť hustejší a rovnomernejší.
To je dôvod, prečo môže byť kyselina fosforečná praktickým tvrdidlom v jednom furánovom systéme, ale zlou voľbou v inom.
2. Prečo je penetračná schopnosť vytvrdzovania fenol-uretánového samotuhnúceho živicového piesku lepšia ako u furánového samotuhnúceho živicového piesku?
Fenolicko-uretánové živicové systémy vytvrdzujú hlavne prostredníctvom reakcie typu polymerizácie, ktorý nevytvára veľké množstvo prchavých vedľajších produktov, ako je voda.
Kvôli tomu, rýchlosť vytvrdzovania má tendenciu byť rovnomernejšia cez pieskovú hmotu, a rozdiel medzi vonkajšou vrstvou a vnútornou vrstvou je relatívne malý.
Furánové samotuhnúce živice, naopak, vytvrdzuje kondenzačnou reakciou, pri ktorej sa počas vytvrdzovania vytvára voda. Táto voda musí difundovať z formy alebo jadra.
Pretože vnútorné a vonkajšie oblasti pieskovej hmoty schnú a vytvrdzujú rôznou rýchlosťou, profil vytvrdzovania sa stáva menej jednotným.
Preto sú furánové systémy citlivejšie na okolitú vlhkosť a často vykazujú slabšiu penetračnú schopnosť vytvrdzovania ako fenol-uretánové systémy.
Prakticky, Piesok z fenol-uretánovej živice často poskytuje spoľahlivejšiu pevnosť jadra v celom priereze, najmä v hrubších alebo zložitejších jadrách.
3. Prečo je možné použiť furánové živice s vysokým obsahom dusíka na hliníkové a medené odliatky?
Hlavným dôvodom je, že hliník a meď majú veľmi nízku rozpustnosť dusíka v roztavenom kove.
Aj keď živica generuje dusík počas liatia a tepelného rozkladu, roztavený hliník alebo meď ho pravdepodobne neabsorbujú vo významnom množstve.
V dôsledku, riziko pórovitosti plynu súvisiaceho s dusíkom je oveľa nižšie, ako by bolo pri odlievaní ocele.
To znamená, že živice s vysokým obsahom dusíka môžu byť vybrané, keď zlieváreň chce dosiahnuť dobré správanie pri kolapse, vysoká pevnosť formy, alebo vhodné charakteristiky vytvrdzovania bez vytvárania vážnych plynových defektov v hliníkových alebo medených odliatkoch.
Inými slovami, na kovovom systéme záleží rovnako ako na živicovom systéme.
Živica, ktorá by bola problematická v oceli, môže byť úplne prijateľná pri výrobe neželezných kovov.
4. Prečo sú keramické rúrky uprednostňované pre vtokový systém, keď sa na ťažké odliatky používa živicový piesok?
Pre ťažké odliatky, doba odlievania je dlhšia a roztavený kov zostáva v kontakte s vtokovým systémom po dlhšiu dobu.
Za týchto podmienok, vysoké tepelné zaťaženie môže predčasne oslabiť živicou viazaný piesok a spôsobiť kolaps alebo eróziu vtokových kanálov.
To môže viesť k zahrnutiu piesku, kovová turbulencia, a iné chyby odlievania.
Keramické rúrky riešia tento problém tým, že ponúkajú oveľa lepšiu tepelnú odolnosť a odolnosť proti erózii ako bežné živicové pieskové kanály.
Sú obzvlášť užitočné v systéme vtokových kanálov a kanálov, kde je prúd kovu najhorúcejší a tepelné napadnutie je najsilnejšie.
Keramické rúrky tiež znižujú potrebu poťahovania v niektorých zónach a poskytujú stabilnejšiu dráhu toku pre veľké alebo ťažké odliatky.
5. Ako zistíme, či je doba spracovania živicového piesku dostatočná?
Pracovný čas, alebo život na lavičke, musí byť dostatočne dlhá na to, aby sa celá operácia lisovania alebo výroby jadra dokončila predtým, ako piesok stratí svoju plasticitu a zhutniteľnosť.
Pre prerušovanú miešačku piesku, pracovný čas by mal presiahnuť interval od vypustenia zmiešaného piesku až po jeho úplné využitie.
Pre kontinuálny mixér, pracovný čas by mal byť dlhší ako čas potrebný na to, aby piesok prešiel z výstupu miešačky cez jeden úplný cyklus dodávky piesku a vrátil sa do rovnakého bodu vo výrobnej sekvencii.
V praxi, toto nie je len teoretický parameter.
Ak je pracovný čas príliš krátky, piesok počas prevádzky začína tuhnúť, spôsobuje zlé zhutnenie, rozmerová nekonzistentnosť, a povrchové chyby.
Bezpečný návrh procesu vždy ponecháva zmysluplnú rezervu medzi životnosťou stola a skutočným časom výroby.
6. Prečo by mal byť uhol ponoru živicového pieskového vzoru väčší ako ten, ktorý sa používa pre piesok spájaný hlinkou?
Formy a jadrá zo živicového piesku vytvrdzujú s relatívne vysokou tuhosťou a veľmi malou schopnosťou zrútenia počas vyťahovania vzoru.
Na rozdiel od piesku spájaného hlinkou, živicou viazaný piesok sa ľahko nedeformuje alebo nepodľahne, aby sa uvoľnil vzor. V dôsledku, odťahové trenie je vyššie, a riziko poškodenia povrchu formy je väčšie.
V rovnakom čase, formy a jadrá zo živicového piesku sú menej opraviteľné ako formy z hlineného piesku.
Ak je povrch formy počas odstraňovania vzoru roztrhnutý alebo zlomený, opravy sú náročnejšie a môžu ohroziť konečnú kvalitu.
Väčší uhol ťahu znižuje odpor pri vyťahovaní, znižuje možnosť poškodenia, a zlepšuje konzistenciu uvoľňovania z formy.
7. Prečo sa pri výrobe živicovej pieskovej liatiny všeobecne uprednostňuje menej zmršťovacích a viac odvzdušňovacích stúpačiek?
Formy zo živicového piesku sú pevné a dobre si zachovávajú svoj tvar počas liatia, najmä v počiatočnom štádiu.
Vďaka tomu sú obzvlášť vhodné na využitie výhod expanzie grafitu pri tuhnutí liatiny.
Vo výrobe sivej a tvárnej liatiny, že expanzia môže pomôcť znížiť alebo dokonca odstrániť chyby zmršťovania, čo znamená, že môže byť potrebných menej zmršťovacích stúpačiek.
Však, živicový piesok tiež vytvára plyn počas zahrievania a rozkladu. Pretože forma je pevná a relatívne uzavretá, plyn musí byť vypúšťaný efektívne.
To je dôvod, prečo je často potrebný väčší počet stúpačiek. Ich úlohou nie je podávať kov, ale poskytnúť únikové cesty pre plyn a pary vznikajúce počas liatia.
Jednoducho povedané, živicový piesok podporuje filozofiu nízkopodlažného odlievania, ale iba ak je vetranie správne navrhnuté.
8. Prečo furánová samotvrdnúca živica obsahujúca asi 70 % – 80 % furfurylalkoholu zvyčajne vykazuje najvyššiu konečnú pevnosť pri izbovej teplote?
Tento rozsah predstavuje praktickú rovnováhu medzi rozvojom sily, obsah vody, a účinnosť vytvrdzovania.
Ak je obsah furfurylalkoholu príliš nízky, živica je silnejšie ovplyvnená inými zložkami živice a obsah vody stúpa, čo môže spomaliť vytvrdzovanie a znížiť konečnú pevnosť.
Ak je obsah furfurylalkoholu príliš vysoký, časť obsahujúca dusík je príliš nízka, a živicová sieť nemusí dosiahnuť rovnakú štruktúru vytvrdzovania alebo konečný výkon.
V rozsahu približne 70 % – 80 %., živicová formulácia často dosahuje najlepšiu rovnováhu medzi reaktivitou, tvorba siete, a hustota vytvrdenej štruktúry.
Preto je pri tomto skladacom okne často maximálna pevnosť pri izbovej teplote.
9. Prečo môžu príliš aktívni otužilci, alebo nadmerné dávkovanie tužidla, znížiť konečnú pevnosť živicového piesku?
Ak vytvrdzovanie začne príliš rýchlo, živica sa môže zosieťovať skôr, ako jej molekulové reťazce budú mať dostatok času na predĺženie, orientovať sa, a vytvoriť dobre rozvinutú sieť.
Inými slovami, systém sa „uzamkne“ príliš skoro.
Veľmi aktívne tvrdidlo môže poskytnúť rýchlu počiatočnú pevnosť, ktoré môžu vyzerať atraktívne na predajni.
Ale ak sa polymérová sieť vytvorí príliš rýchlo, výsledná štruktúra môže byť menej úplná a menej efektívna, ponechanie niektorých reaktívnych skupín nevyužitých.
Rovnaký problém môže nastať pri nadmernom dávkovaní tužidla. Výsledkom je často vysoká počiatočná pevnosť, ale nižšia konečná pevnosť.
Toto je klasický prípad konfliktu rýchlosti procesu s konečnou kvalitou. Rýchlejšie vytvrdzovanie nie je vždy lepšie, ak obetuje integritu vytvrdenej živicovej siete.
10. Prečo by sa na rekultiváciu starého piesku nemal používať živicový piesok vytvrdený kyselinou fosforečnou?
Problém je v tom, že kyselina fosforečná môže po naliatí zanechať na zrnách piesku zvyšky fosfátov.
Tieto zvyšky nie sú ľahko zničené tepelným pôsobením roztaveného kovu a je ťažké ich odstrániť počas rekultivácie.
V dôsledku, regenerovaný piesok sa kontaminuje spôsobom, ktorý priamo ovplyvňuje budúce spojenie živice.
Zvyšky fosforečnanu znižujú pevnosť opätovne použitej pieskovej zmesi a môžu tiež zvýšiť tendenciu rozširovania plesní a riziko tvorby piesku.
Ak zlieváreň závisí od opätovného použitia a rekultivácie, tužidlo, ktoré zanecháva perzistentné minerálne zvyšky, je zvyčajne zlou dlhodobou voľbou.
11. Prečo je lepšie používať organické kyseliny s nízkym obsahom voľných kyselín a vysokou celkovou kyslosťou pre kyslý stužený fenolživičný piesok?
Fenolové živice s vytvrdzovaním kyselinou často obsahujú relatívne vysoký obsah vlhkosti.
Počas vytvrdzovania, samotná živica vytvára vodu prostredníctvom kondenzácie, a v systéme už môže byť prítomná ďalšia voda. Táto voda riedi kyslé tvrdidlo a spomaľuje reakciu.
Ak je obsah voľných kyselín príliš vysoký, vytvrdzovanie môže urýchliť, ale sila piesku môže príliš klesnúť.
Preto, ideálne tvrdidlo je také, ktoré poskytuje dostatočnú celkovú kyslosť na účinné riadenie reakcie a zároveň udržuje voľnú kyselinu na strednej úrovni, takže pevnosť nie je nadmerne obetovaná.
Organické kyseliny s vysokou celkovou kyslosťou a relatívne nízkym obsahom voľnej kyseliny sú preto často lepšie vyvážené pre tento typ živicového systému.
12. Prečo by mala byť dávka tvrdidla pre piesok z fenolovej živice tvrdená kyselinou vyjadrená ako percento živice?
Správne dávkovanie silne závisí od množstva živice v systéme, pretože kyselina musí pôsobiť na živicovú hmotu, ktorej obsah vody a chemické zaťaženie sa s pridávaním živice mení.
Fenolové živicové systémy sú menej citlivé na kyseliny ako niektoré furánové systémy, takže zmysluplné vyliečenie môže nastať len vtedy, keď koncentrácia kyseliny dosiahne dostatočne vysokú úroveň.
Pretože samotná živica obsahuje vlhkosť a môže počas vytvrdzovania uvoľniť viac vody, zvýšenie množstva živice zvyšuje riediaci účinok na tužidlo.
Aby sa zachovala rovnaká rýchlosť vytvrdzovania, dávka tvrdidla sa preto musí zvyšovať s dávkou živice.
Vyjadrenie tvrdidla ako percento živice poskytuje realistickejší a kontrolovateľnejší základ formulácie.
13. Prečo by sa čerstvo odizolované alebo čerstvo opravené jadrá nemali okamžite potiahnuť?
Keď bolo jadro práve odizolované alebo opravené, reakcia vytvrdzovania živice je stále v počiatočnom štádiu.
Ak sa okamžite aplikuje náter na vodnej báze, voda alebo rozpúšťadlo môžu interferovať s prebiehajúcim vytvrdzovaním, najmä v systémoch citlivých na vlhkosť.
Vo fenol-uretánových živicových systémoch, nezreagované izokyanátové zložky môžu tiež reagovať s vodou, ktoré môžu poškodiť zamýšľanú vytvrdzovaciu chémiu.
Ak sa použije náter na báze alkoholu, vznietenie počas sušenia môže prehriať alebo prepáliť ešte reagujúci povrch živice.
V oboch prípadoch, predčasné potiahnutie môže oslabiť stabilitu povrchu a znížiť spoľahlivosť formy alebo jadra.
Často je potrebná krátka čakacia doba, aby sa povrch mohol pred náterom stabilizovať.
14. Prečo je rekultivácia starého piesku zo systémov alkalických fenolových živíc náročná?
Systémy alkalických fenolových živíc majú často vysokú zásaditosť, a živica môže obsahovať významné množstvo alkálií, ako je hydroxid draselný.
Počas nalievania, táto zásada môže reagovať s kremičitým pieskom za vzniku kremičitanov s nízkou teplotou topenia.
Tieto kremičitany sa môžu silne spájať s povrchom pieskových zŕn, sťažuje ich odstránenie pri rekultivácii.
V dôsledku, kvalita opätovne použitého piesku klesá, zaťaženie čistenia stúpa, a regenerovaný materiál sa ťažšie privádza späť do stabilného stavu.
To je dôvod, prečo alkalické fenolové systémy môžu byť pri dlhodobej regenerácii piesku náročnejšie ako mnohé iné živicové systémy.
15. Aké faktory je potrebné zvážiť pri výbere typu živice pre odliatok?
Výber živice by sa nikdy nemal robiť len na základe zvyku. Mal by byť založený na odlievacej zliatine, veľkosť a hrúbka steny odliatku, teplotu nalievania, a riziko defektu súvisiaceho so štruktúrou.
Po prvé, dôležitý je odlievací materiál.
Ak je odliatok oceľ alebo vysokolegované železo, problémom je pórovitosť dusíka, živica s nízkym obsahom dusíka alebo bez dusíka je zvyčajne bezpečnejšia.
Ak je odliatok šedá liatina alebo tvárna liatina, kde pórovitosť dusíka vyvoláva menšie obavy, prijateľná môže byť stredne dusíková živica.
Pre medené a hliníkové odliatky, kde dusík nie je ľahko absorbovaný roztaveným kovom, živica s vysokým obsahom dusíka môže byť praktickou voľbou.
Po druhé, na veľkosti a hrúbke záleží.
Ťažký, hrubostenné odliatky a vysoké teploty liatia vyžadujú živicové systémy so silnejším výkonom pri vysokých teplotách.
V takýchto prípadoch, často sa uprednostňuje živica s vyšším obsahom furfurylalkoholu a nižším obsahom močovino-formaldehydu, aby si jadro alebo forma zachovala dostatočnú pevnosť za tepla.
Pre menšie, tenkostenné odliatky s nižšími teplotami liatia, môže postačovať lacnejšia živica s vyšším obsahom močoviny.
Po tretie, dôležitá je štrukturálna tendencia odliatku.
Ak je odliatok náchylný na praskanie za tepla, spojivo s nižšou pevnosťou za tepla môže byť v skutočnosti nežiaduce; živica musí podopierať kov, kým nie je tuhnutie stabilné.
Ak je odliatok náchylný na praskanie za studena, spojivo by sa malo po naliatí dobre zrútiť, aby sa odliatok mohol voľne sťahovať bez nadmerného obmedzenia.
Skrátka, výber živice je zodpovedajúci problém. Správna živica je tá, ktorá vyrovnáva tvorbu plynu, horúca pevnosť, kolapsové správanie, rýchlosť vytvrdzovania, rekultivačný výkon, a riziko defektov pre konkrétny odliatok.
Záver
Odlievanie do piesku je proces, v ktorom sú chémia a metalurgia úzko prepojené.
Tá istá zlieváreň môže dosiahnuť veľmi odlišné výsledky jednoduchou výmenou tužidla, rodina živice, rekultivačný spôsob, alebo načasovanie náteru.
Preto na praktických znalostiach v tejto oblasti tak záleží.
Dobrý proces živicového piesku nie je len rýchly a silný. Je tiež stabilný, predvídateľné, a kompatibilné s odlievanou zliatinou, geometriu, a výrobný cyklus.
Keď je živicový systém správne zvolený a riadený, odlievanie do piesku sa stáva jedným z najefektívnejších spôsobov výroby presných a zložitých kovových odliatkov.
