Ostřiva formovacích směsí, generace pojiv, zhušťování

Složení formovacích směsí
Výroba netrvalých forem, odlitek : formovací směs – 1 : 4 - 6
Ostřivo – písek (velikost, granulometrie, fyzikální vlastnosti, chemické vlastnosti, cena)
Pojivo – I – IV. Generace (jíl, organická a anorganická pojiva, fyzikální vazby, biogenní pojiva)
Voda – jílové směsi přísada, anorganická pojiva – vázaná voda, organická pojiva – polykondenzace
Přísady – zlepšení jakosti povrchu odlitku (KUM), snížení výronků, zlepšení rozpadavosti formy atd.

Struktura bentonitové směsi

Příprava formovacích směsí
Regenerace – II. generace pojivových systémů
Oživování – I. generace – jílová pojiva

Termofyzikální vlastnosti formovacích směsí

Tepelná roztažnost formovacích směsí

Ostřiva (částice větší než 0,02mm)
Křemenná – SiO2 (kyselá)
Nekřemenná – chromit, olivín, dunit, zirkon
Syntetická – kerphalit, šamot, molochit a další
Hodnocení ostřiv
Granulometrie – tvar zrna – izometrický (zakulacený), protažený
Hrany ostřiva – ostrohranný (mořské ledovcové), kulatý (váté písky)
Velikost ostřiva – sítový rozbor, střední velikost zrna, koeficient pravidelnost (d75/d25)

Ostřiva
žáruvzdorný materiál,
nereaktivní vůči odlévanému kovu,
nízká cena,
vhodný tvar a velikost.
olivín
zirkon
chromit
dunit

Sítový rozbor

Sítový rozbor
K = d75/d25

Laboratorní rozbory
pevnost směsi (tlak, ohyb, štěp)
prodyšnost formovací směsi
obsah vyplavitelných látek
obsah spalitelných látek
obsah uhlíkatých látek...

Křemen SiO2
V přírodě nejrozšířenější – nízká cena
Kyselý charakter – reakce se zásaditými oxidy (FeO, MnO, CaO, ...)
Vysoká teplotní roztažnost
Několik krystalografických modifikací + amorfní (křemenné sklo)

Křemen SiO2

Nekřemenná ostřiva - zásaditá
MAGNEZIT
Zásaditý charakter, přírodní MgCO3 – pálením vzniká MgO (surový magnezit - hydroskopický), další pálení – slinování – hnědá čokoládová barva, obsah více než 85 %MgO, žárodovzdornost 2000 °C, hůře snáší střídání teplot, hustota 2,9kg/m3, použití Haedfieldova ocel.
CHROMMAGNEZIT (Chromit)
Zásaditý charakter, lépe snáší střídání teplot, obsahuje 65 % MgO a cca 35 % chromitu. Chromit je ruda obsahující cca 59 % Cr2O3 s příměsí MgO, Al2O3 FeO. Tepelně exponovaná místa (zapečeniny), vyšší odolnost vůči chemickému působení kovu.

Nekřemenná ostřiva - neutrální
ŠAMOT
Vypálený žárovzdorný jíl – aluminosilikát. Obsahuje 30 – 45 % Al2O3 a zbytek SiO2. Žárodovzdornost 1750 - 1800 °C, použití těžké odlitky ocel a litina.
MULIT
Aluminosilikát, který obsahuje cca 70 - 72 % Al2O3, zbytek SiO2. (3Al2O3. SiO2) Výborně snáší střídání teplot – keramické formy pro přesné lití. Žárodovzdornost 1850 - 1900 °C
KORUND
Tavení bauxitu nebo jílů bohatých na Al2O3. Hustota 4kg/dm3. Drahý – součást nátěrů. Žárodovzdornost cca 2200 - 2300 °C.

Nekřemenná ostřiva - speciální
SPINEL
Obsahuje cca 85 % Al2O3 a 15 % MgO. Plnivo do nátěrů, drahý.
OLIVÍN
Výroba pálením nebo přírodní. Tvořen Forsrteritem (2MgO. SiO2) + Fayalitem (2FeO. SiO2). Vysoká žárodovzdornost.
ZIRKON
Tvořen ZrO2.SiO2. (příp. ZrO2) Hnědočervený, hustota 4,6 kg/dm3 (vysoký odvod tepla), speciální exponovaná jádra, plnivo nátěrů Drahý – součást nátěrů. Žárodovzdornost cca 2400 - 2500 °C.

Pojivové systémy formovacích směsí
I. generace – jílová pojiva
II. generace – chemické vazby (od konce II. světové války) – dělení na: organická, anorganická
III. generace – fyzikální vazby (od 70-tých let 20. století)
IV generace – biogenní pojiva (od 90-tých let 20. století)

I. generace pojivových systémů
Jílová pojiva – aluminosilikáty (Al2O3-Sio2) – přírodní nebo syntetické (dnes převážně)
Kaolinitický jíl – směsi na sušení, použití u ocelových odlitků a ze šedé litiny (historie), 10 až 20% ve směsi
Ilitický jíl (glaukonit) – zelený písek Rájecký, umělecké odlitky, směsi na sušení, výroba těžkých odlitků ze šedé litiny (historie), 8 až 15 % ve směsi
Montmorillonitický jíl – (Al2O3.4Sio2.H2O.nH2O), sopečný původ (Most, Moosburg), lití na syrovo (2-3,5% vody), 5 až 8 % ve směsi
Bentonit – více než 75% montmorillonitického jílu (Fort Benton USA), dnes – směsné bentonity (bentonit + přísady)

Bentonit
Interkrystalické bobtnání (lístková morfologie), fyzikálně vázaná voda
Ca, Mg bentonity, Na umělé zpravidla – natrifikace
Bobtnavost Na bentonitů je 10x vyšší než Ca bentonitů

Vlastnosti bentonitových formovacích směsí
Kontrola – zkušební váleček průměr 50 mm, výška 50 mm

Vlastnosti bentonitových formovacích směsí

Příprava formovací směsi
kolový mísič
vířivý mísič

Zhušťováním forem
Ruční
Strojní
Střásání
lisování
metání
vstřelování
foukání
vakuové nasávání
impulsní zhušťování
kombinace
Zhuštění
vysoké zhuštění – pevné formy
rovnoměrné po výšce rámu
rychlé
ekonomické

Ruční formování bentonitových formovacích směsí

Výroba forem střásáním
největší zhutnění – u modelu
jednoduchá metoda
hlučnost
α - součinitel zhuštění ρ2/ ρ1 (ρ1 po zhuštění)

Výroba forem lisováním
největší zhutnění – u lisovací hlavy
jednoduchá metoda

Nedostatky při lisování

Zvýšení rovnoměrnosti
zhutnění formy při lisování

Výroba forem střásáním s dolisováním
Stroje FOROMAT
ruční až malosériová výroba
levný provoz
jednoduché stroje
hlučnost

Výroba forem metáním
Nutno správně nastavit rychlost metacího kola s rychlostí dopravy formovací směsi – dopravního pásu
Pískomety – výroba rozměrných velkých forem

Dynamické metody zhušťování
dynamické působení tlaku plynů – dynamické lisování
foukání směsi
impulzní formování tlakem plynu (vysokotlaké, nízkotlaké)
formování výbuchem

Vstřelování
ČS patent – použití u jader, formovací linky
0,1 – 0,3 s – dynamický děj

Impulzní zhušťování formovací směsi
Využití expanze plynů ke zhuštění formovací směsi:
zážehem směsi hořlavého plynu se vzduchem v komoře nad formovacím rámem
expanzí stlačeného vzduchu v komoře na formovacím rámem, rychlé otevření ventilu – rychlý nárůst tlaku vzduchu

Impulsní zhušťování + lisování

Vznik zálupů
Příčiny
kondenzační zóna
fázová transformace
křemene (dilatace, pnutí)
změny pevnosti formy
vysušená část směsi
(tlaková pnutí)
Omezení vzniku
snížení sálání
zvýšení pevnosti v kond.
zóně (mechanicky, bentonit)
snížení dilatace (přísady)

Bezrámové automatické
formovací linky - svislá dělící rovina
1964, stroj DISAMATIC
výroba až 400 forem/hod
menší odlitky
1
2
4
6
5
3

Bezrámové automatické
formovací linky – vodorovná dělící rovina
výroba 80 až 160 forem/hod
větší odlitky

Rámové automatické
formovací linky – vstřelení + lisování
DISA FLEX – obvykle výroba 40 až 60 forem/hod
větší odlitky – až 100 - 400Kg
vyšší tuhost rámu – vyšší přesnost odlitku

Rámové automatické
formovací linky

Regenerace vratné
bentonitové směsi
Oživení bentonitové směsi – přísada nového pojiva, doplnění přísad a vody (chlazení, spěchovatelnost)...opětovné mísení a formování
drcení – rošty, polygonová síta atp.
odloučení kovových částic – magnetická separace
odloučení nekovových příměsí, odprášení – fluidní lože
chlazení – chladničky, sila
úprava složení směsi v mísiči – přísady, bentonit, voda

II. generace pojivových systémů
Samotvrdnoucí směsi (ST) – organická pojiva - pryskyřice
– anorganická pojiva – sádra
– cement
– vodní sklo
Směsi tuhnoucí zásahem zvenčí (ZZ) – vodní sklo + CO2
– COLD BOX (Ashland, SO2,..)
– HOT BOX, CRONING
Výroba keramických forem – před litím keramizační žíhání formy
trvalý model – lisování formovací směsi
– oblévání keramikou (Shaw)
netrvalý model – vytavitelný model (vosk)
– spalitelný/vypařitelný model (WITTMOSER I.)

Samotvrdnoucí směsi ST
Pořadí mísení: ostřivo + tvrdidlo + pojivo
vytvrzení směsi = chemická reakce
Údobí plasticity (zpracovatelnosti) – životnost směsi
Údobí prudkého nárůstu pevnosti
Údobí dotvrzení

Anorganická pojiva - sádra
Používá se již od dávnověku (Egypt, Řecko)
schopnosti dokonalého kopírování – šperkařství, sochařství výroba přesných odlitků
odlévání odlitků ze slitin s nižší teplotou tavení (Al, Cu)
malé objemová změny, nízká tepelná vodivost – pomalé tuhnutí odlitků
citlivost na vlhkost, nízká prodyšnost, citlivost na změny (sádra, voda atd.)
metody – Antioch, Bendix, zpěněné směsi

Metoda Antioch
výroba forem s vyšší prodyšností 15 – 150 j.p. – dvoufázový postup
Výroba formy (20°C) – odlití ztuhnutí, vyjmutí modelu,
vložení formy do autoklávu (10 hod., 0,1 MPa, 120°C), dihydrát (CaSO4.2H2O) se mění na hemihydrát (půlhydrát CaSO4.1/2H2O),
ponoření do vody, hemihydrát → , zrnitá struktura, povrch hladký a střed pórovitý → vyšší prodyšnost 50 – 150 j.p.
konečné sušení 10 – 15 hodin na teplotě postupně 100, 150, 200 až 300°C → odlévání do vyhřátých forem ihned po vyjmutí z pece

Metoda Bendix
Lití do předehřátých forem bez použití autoklávu → nižší prodyšnost
vyšší rozměrová a tvarová přesnost,
důkladné sušení, např. 230°C až 16 hodin,
odlévání často odstředivě,

Metoda zpěněných směsí
Přísada povrchově aktivní látky = saponátu → napěnění sádrové směsi → tvorba bublinek → vyšší prodyšnost formy
příprava saponátové emulze,
mísení emulze a sádrové kaše (sádra, voda + přísady),
odlévání formy, tuhnutí 15 až 20 minut,
důkladné sušení v několika stupních, 65°C cca 2 hodiny, 150°C cca 2 hodiny a finální ohřev 200°C cca 2 hodiny
odlévání často odstředivě,

Sádrové formy
Výhody
vyšší přesnost rozměrů po vysušení,
hladkost povrchu
vysoká reprodukovatelnost tvaru – umění, šperky
Nevýhody
dlouhá doba sušení – náklady, čas
náročnost na dodržování technologie a vstupní suroviny
formy nelze skladovat

Anorganická pojiva - cement
Portlandský
nejvíce využívaný
Struskoportlandský
podíl portlandského cementu a vysokopecní strusky
Struska dává vyšší odolnost vůči chemickým vlivům
Hlinitanový
váže více vody, rychlejší tuhnutí, vyšší pevnosti
příliš drahý
Složení směsi – ostřivo, cement, voda, přísady – zpomalovací přísady (zpomalují tvrdnutí), urychlující přísady (zrychlují proces tvrdnutí a tím i zkracují dobu vyjímaní modelu – chloridy, uhličitany, sírany Na, K, Li atp.), plastifikátory (škrob)

Cementové směsi
Výhody
dobré pracovní podmínky a ekologie - deponování odpadních písků
nižší energii pěchování než jílová pojiva
nízká cena
vysoké pevnosti – snáší vysoká zatížení – menší množství výztuh
tuhnutí i pod vodou
Nevýhody
dlouhá doba vytvrzování - obtížné vyjímání modelů po dlouhodobém cyklu vytvrzování formy (7 – 12 hodin)
špatná rozpadavost - vysoké náklady při vytloukání a apretaci

Cementové směsi
vodní součinitel vs = mvoda/ mcement
max. pevnost vs = 0,35 – 0,45 – suchá, nelze formovat
optimální hodnota vs = 0,7 – 0,9 – pomalé tuhnutí - urychlovače

Anorganická pojiva – vodní sklo
Vodní skla jsou koloidní disperzní systémy tvořené disperzními částicemi (micelami) a disperzním prostředím (intermicelárním roztokem).
Ternární soustava SiO2-Na2O-H2O
Hustota - Bauméových stupních „°Be”
Modul (2,0 - 3,3)
Koagulačním práh
KP…..koagulační práh [%Na2O]
VA ….. spotřeba HCl [ml]
m = 3,0 - 36-38 °Be
m = 2,0 - 58-60 °Be
m ↓ rychlost tuhnutí↑ pevnost ↓

Formovací směsi s vodním sklem

SMĚSI S VODNÍM SKLEM
VAZNÉ
NEVAZNÉ
ZTEKUCENÉ
ZÁKLAD
vodní sklo
bentonit
práškové tvrdidlo
ZÁKLAD
vodní sklo
tvrdidlo
ZÁKLAD
vodní sklo
tvrdidlo
zpěňovadla
práškové
- ferosilicium
kapalné
- estery

ZZ směsi - Vodní sklo + CO2
ČS patent – Dr. Ing. Lev Petržela (SVUM, VUT)
Hlavní technologie 50 až 70 let 20 století
Nízká rozpadavost forem
obtížné vytloukání
obtížná regenerace
výskyt I a II maxima
GEOPOL – moderní vodní sklo – lepší rozpadavost

Technologie CT (vodní sklo+CO2)

Organické samotuhnoucí směsi

Organické samotuhnoucí směsi
Základní vlastnosti organických pojiv
vysoká pevnost po vytvrzení (pevnost v ohybu) – výroba složitých tenkostěnných i masivních a těžkých odlitků
vysoká přesnost forem a kvalita povrchu odlitku
rychlý pokles pevnosti po odlití – výborná rozpadavost
vysoká stabilita při skladování jader
snadná mechanická a pneumatická regenerace za sucha

ST směsi s organickými
pojivy (pryskyřice)
I) Vytvrzované kyselinami
furanové (sírová, PTS) – dnes nejčastější
fenolformaldehydové
II) Na bázi uretanových pryskyřic
alkydizokyanáty
(alkyd-uretanové pryskyřice)
b) fenoluretanové

Přednosti furanových pojiv
dávkování pojiv 0,65-1,2% na novém písku i regenerátu.
nízký poměr forma/kov v důsledku vysokých dosažených pevností,
rychlé rozebírání forem,
vysoká rozměrová a tvarová přesnost, vysoká kvalita povrchu odlitků
výborná rozpadavost směsí a vysoký stupeň regenerovatelnosti (90 až 95 %)
použití pro všechny druhy odlévaných materiálů

Příprava ST formovací směsi
příprava směsí s pojivy s nízkou viskozitou (pryskyřice, oleje, vodní sklo) – průběžné jedno nebo dvoužlabové mísiče
ostřivo + tvrdidlo následně se přidává pojivo,
dvoužlabové průběžné mísiče – dvě směsi – chromit + křemen,

Výroba jader – COLD BOX
Katalyzátor + nosný plyn – směšovač – mísení se vzduchem = profouknutí
jaderníku a jádrové směsi → neutralizace plynu (pračka)

Výroba jader – COLD BOX
Nejčastěji používané pojivové systémy pro COLD BOX
Phenol-uretanové pryskyřice + tvrdidlo - aminy (TEA – trietylamin, DMEA – dimetylamin – jedovaté, výbušné)
Furanové pryskyřice + SO2
Epoxy-akrylátové pryskyřice + SO2
Alkalické fenoly + metylformiát
Alkalické fenoly + CO2

Příklady jader COLD BOX

Technologie HOT BOX
Výroba jader – ostřivo + tekuté pojivo (pryskyřice) a tekuté tvrdidlo – směs je vlhká – pryskyřice (např. fenolformaldehydové) se vytvrzují teplem
Horké jaderníky – vstřelení směsi – vytvrzení – profouknutí horkým vzduchem

Technologie HOT BOX
Výhody
rozměrová přesnost, dobrý povrch odlitku
dostatečná pevnost jádra, dobrá rozpadavost (Al odlitky)
známá a prozkoumaná technologie, která je dobře kontrolovatelná
Nevýhody
spotřeba energie
technologické časy delší než CB
náklady na kovové jaderníky
pracování s chemikáliemi, hygienické hledisko
Ohřev jaderníků – plyn nebo el. energie
Vstřelovací stroje: Jedno polohové, vícepolohové, karuselové atd.

Příklady jader HOT BOX

Technologie CRONING (C)
Výroba jader a forem z dokonale sypké směsi tvořené ostřivem a teplem tavitelné a tvrditelné pryskyřice
Skořepinová forma nebo jádro vzniká postupným natavováním a vytvrzováním teplem ohřátého modelu nebo jaderníku.
Řízením doby ohřevu se řídí tloušťka skořepiny – přebytečná směs se vysype.

Příklady jader CRONING

Keramické formy – metoda vytavitelného modelu
žíhání forem před litím – keramická vazba
vytavitelný nebo vypařitelný model
princip technologie vytavitelného modelu
postup postupného obalování – skořepinová forma
odlévané keramické formy – metoda SHAW, UNICAST

Zhotovení matečné formy
DLE MATEČNÉHO MODELU
ze sádry nebo silikonu (kaučuk)
z nízkotavitelných slitin (ZN)
formy vyrobené metalizováním
formy vyrobené galvanoplasticky
Obráběním
RP

Zhotovení voskového modelu
Současné vosky – komplexní materiály obsahující následující složky:
přírodní vosky syntetické vosky TYPY POUŽÍVANÝCH VOSKŮ
přírodní pryskyřice přímé (neplněné)
syntetické pryskyřice plněné (30% plniva)
organická plnidla emulzifikované (vodou, vzduchem)
voda
bod tavení a tuhnutí
tvrdost
viskozita
roztažnost/smrštivost
rychlost tuhnutí
Kombinace vlastností surovin k dosažení optimálních charakteristik:
obsah popela (‹ 0,05%)
pružnost
povrchová kvalita
stabilita vůči oxidaci
možnost regenerace

Výroba voskového modelu
gravitační lití
vstřikování do formy – vstřikovací stroj pracující s tekutým voskem
– vstřikovací stroj pracující s kašovitým voskem
– vstřikovací stroj pracující s kašovitým voskem

Ukázka voskového modelu

Sestavování modelů - stromečku
sestavy jednotlivých modelů
sestavy více modelů do tzv. stromečků

Aplikace keramických jader v PL

Výroba skořepinové formy
a/ Postupné obalování a sušení obalů
I/ ODMAŠTĚNÍ VOSKOVÝCH MODELŮ
(odstranění zbytků separátoru použitého při výrobě v matečné formě)
II/ PONOŘENÍ DO OBALOVÉ HMOTY
(keramické suspenze – břečka, sestávající z plniva a pojiva)
Plnivo – žáruvzdorná keramická moučka (tavený, křemen,molochit,zirkon,..)
Pojivo – koloidní roztok křemene na bázi alkoholu (alkosol) nebo vody (hydrosol)
III/ OKAPÁNÍ

Výroba skořepinové formy
IV/ POSYP ZRNITÝM KERAMICKÝM MATERIÁLEM (fluidní nebo sprchový způsob)
Posypy – křemen, molochit, korund, zirkon, silimanit, atd.
Zrnitosti plniva dle čísla obalu :
- první 1-2 tzv. „lícní“ jemnější zrnitost –0,175-0,25 mm (POVRCH ODLITKU)
- další 3- x tzv. „zesilovací“ hrubší – 0,25-0,5 mm (PRODYŠNOST FORMY)
V/ SUŠENÍ
(v klimatizovaném prostoru 2-4hod – teplota 20 °C ±1 °C , relativní vlhkost 30-60%
-dle typu použitého pojiva, proudění vzduchu)
VI/ OPAKOVÁNÍ ( II – V)
(do vytvoření potřebného počtu obalů – 4-12)

Výroba skořepinové formy – obalovací linky

Výroba skořepinové formy -robotizovaná pracoviště
historie
současnost

Vytavení vosku ze skořepiny
Základní problém: rozdílná roztažnost vosku a skořepiny !
U vosku větší, proto nebezpečí roztržení skořepiny při vytavování vosku.
NUTNOST vytvoření „dilatační spáry“ na povrchu voskového modelu –
rychlým ohřevem této vrstvy, tzn. aplikací TEPELNÉHO ŠOKU
POUŽÍVANÉ TECHNIKY PRO VYTAVOVÁNÍ VOSKU
I/ Přehřátou parou – v bojlerklávu nebo autoklávu
II/ Vyžíháním – „flash fire“ systém
III/ Horkým vzduchem
IV/ Mikrovlnným ohřevem

Vytavení vosku ze skořepiny
Většinou se používá systém vytavování párou (boilerkláv, autokláv)
Hlavní důvody:
ideální vlastnosti páry pro přenos tepla
snadnost sběru vytaveného vosku
vysoká účinnost
Pracovní parametry:
teplota páry – 160-180°C
pracovní tlak – 6-9 atm.
nárůst tlaku na prac. tlak za 3-5 s
řízená rychlost snižování tlaku

Keramizační žíhání skořepin
TŘI HLAVNÍ DŮVODY ŽÍHÁNÍ (VYPALOVÁNÍ) SKOŘEPIN
odstranění zbytkového vosku
zpevnění formy – keramická vazba
předehřátí skořepiny před litím

Odlévání
gravitační lití
sklopné lití
tavení a gravitační odlévání ve vakuu
vakuové nasávání (CLA, CLV)

Odlévání
gravitační lití
sklopné lití
tavení a gravitační odlévání ve vakuu
vakuové nasávání (CLA, CLV)

Dokončující operace
hrubé odstranění keramických obalů
oddělení odlitků od vtokového systému
odstranění zbylé keramiky
dokončující operace
kontrola jakosti odlitků

Odlitky výroba technologií vytavitelného modelu
Lopatka leteckého motoru – rovnoosá struktura, usměrněná krystalizace, monokrystal - superslitiny na bázi niklu, odléváno ve vakuu
Superslitiny na bázi Ni, odléváno ve vakuu
- odlitky pro energetiku

Odlitky výroba technologií vytavitelného modelu
Část helikoptéry V-22 – Ti slitina
Odlitek pro brokovnici-
Cr kalitelná nerez ocel
Odlitek kontrolního systému v tanku – Al slitina
Boeing 777 APU potrubí - Ti slitina

Technologie vypařitelného modelu
model vyroben z polystyrenu obráběním (CNC) nebo v matečné kovové formě
model celistvý nebo z více částí včetně vtokové soustavy - lepení
výroba velkosériová nebo naopak kusová
polystyrenový model natřen a zasypán do písku (vibrace) – odlévání

Princip technologie

Nátěr modelu
FUNKCE NÁTĚRU:
Fyzikální bariéra mezi pískem a kovem
Odstranění plynných produktů z modelu
Odstranění kapalných produktů z modelu
Tepelná izolace

Odlévání
nízkotlaké lití
gravitační lití

Odlitky výroba technologií vypařitelného modelu
hlava válců motoru

III a IV generace pojiv
III generace – fyzikální vazby
V proces – vakuování
EFF Set proces – zmrazení forem
Vit Moser II
IV generace – biogenní pojiva

V proces

EFF SET Proces – zmrazené formy
směs – voda + ostřivo + přísady
vyplnění dutiny formy
zmrazení pomocí CO2 nebo N2
zmrazení s modelem nebo bez modelu (přísada škrobu)

VITTMOSER II – magnetické pole