MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, 20-21 April 2017 ISBN 978-963-358-132-2 The examination of the mechanical properties of inorganic core sands Dargai Viktória 1, Varga László 2 1 Doktorandusz, 2 PhD, Főiskolai docens 1 Nemak Linz, 2 Miskolci Egyetem BEVEZETÉS Az új környezetvédelmi irányelvek miatt manapság az ipar számára elsődleges szemponttá vált az, hogy ezeknek az irányelveknek a lehetőségeikhez képest megfeleljenek. Az öntödék számára a szerves kötőanyagrendszerek alkalmazása által az emisszió kibocsátás okoz problémákat. Az elmúlt években többféle kutatás is arra koncentrált, hogy a szerves kötőanyagokat környezetkímélő rendszerré fejlesszék tovább, azonban ezek áttörő megoldást nem hoztak. Az emisszió kibocsátás megszüntetésére, illetve nagymértékű csökkentésére a megoldást, a szervetlen kötésű kötőanyagrendszerek jelenthetik. A szervetlen kötésű kötőanyagrendszerek területén folyamatos kutatások és fejlesztések zajlanak, hogy alkalmazásuk problémamentes legyen. A VÍZÜVEG OLDATOK A vízüveg nem egy szabványos vegyület, mivel ez a gyűjtőneve az üvegesen megszilárdult, változó összetételű alkáli-szilikát olvadékoknak és oldatoknak. A vízüvegek nevezhetőek még a kovasavak alkáli sóinak is. A vízüvegoldatokat a modullal, a mol tartalommal, a sűrűséggel és a viszkozitással jellemezzük. [1] Amikor a vízüveg moduljáról beszélünk, akkor a szilícium-dioxid és az alkáli-oxid arányáról beszélünk. Az általános vízüveg összetétel: xsio2 ym2o zh2o, ahol M az alkáli- fémek jelölése, amely lehet nátrium, kálium, ill. lítium. Az öntészetben leginkább alkalmazott nátrium-vízüveg modulja, azaz a SiO2: Na2O aránya 2,0-3,3 között van. A modul befolyásolja a formázóanyag és a kötőanyagrendszer bizonyos technológiai tulajdonságait. [2] MAGGYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁK A klasszikus szervetlen kötésű maggyártási technológiák a vízüveg- CO2 - és a vízüveg-észter- eljárások, amelyeknél a kötés különböző kémiai folyamatokon keresztül megy végbe. Az utóbbi 15 évben az új gyártási folyamatok, ill. a szilikátkémia területén történt fejlesztések hatására új típusú szervetlen kötőanyagrendszereket fejlesztettek ki. Ezek az új típusú szervetlen kötőanyag eljárások többségükben kombinálva alkalmazzák a kémiai reakciókon alapuló kötést DOI: 10.26649/musci.2017.039
és a szárítást. Ezek a rendszerek általában két fő alkotóból épülnek fel: egy vízüveg alapú folyékony kötőanyagból és egy modifikált por alapú adalékanyagból. A következő kötőanyagrendszerek találhatóak meg manapság a piacon: a Cordiskötőanyagrendszer, az Inotec-kötőanyagrendszer, az AWB-eljárás, a Laempe- és a Hydrobond-eljárások. A szervetlen kötőanyagrendszerek többnyire az alumínium öntvények esetében alkalmazhatóak az alacsony öntési hőmérséklet miatt, azonban a gyártók egyre több fejlesztést végeznek azért, hogy a szervetlen kötésű kötőanyagok vasöntvények gyártásához is problémamentesen alkalmazhatóak legyenek. [1] REGENERÁLÁSI ELJÁRÁSOK A regenerálás során az a cél, hogy a használt homokot újra fel lehessen használni a magok-, ill. a formák gyártásához, továbbá az újhomokhoz hasonló tulajdonsággal rendelkezzen. A szervetlen kötésű maghomok-keverékek regenerálása nagy kihívásnak számít az öntödék számára, mivel a szerves kötőanyagokkal ellentétben ezeknél a rendszereknél nem ég ki a kötőanyag az öntés során. Különböző regenerálási technológiák alkalmazhatóak a szervetlen kötésű maghomok-keverékek regenerálására. Ilyen a nedves regenerálás, a termikus, a mechanikus regenerálás, ill. a termikus-mechanikus regenerálás. [1] A nedves regenerálás során a használt homokot többlépcsős rendszerben átmossák. Azonban ilyen berendezések ipari használatban nem terjedtek el, ill. nem történtek fejlesztések ebben az irányban. Ennek, az az oka, hogy a berendezés működtetéséhez nagy mennyiségű víz és helyigény szükséges, továbbá a szennyeződött víz tisztítása és az iszap deponálása is problémákat jelent. [1] [3] A termikus regenerálás a vízüveg-észteres kötőanyagok esetében alkalmazható, ahol is az égés során a szerves alkotók leégnek a homok felületéről. Ez a regenerálási eljárás nagy energia és helyigényű, emiatt csak nagy széria gyártása esetén lehet kifizetődő. [4] A mechanikus regeneráló berendezések manapság a legelterjedtebbek a szervetlen kötőanyag-rendszerű használt homokok regenerálására. Ezekben a berendezésekben a mechanikus koptatás különböző őrlőgolyókkal vagy pedig a szemcsék egymáson történő dörzsölésével történik. A berendezések kis helyigényűek, olcsóbb az üzemeltetésük, és nagy előnyük, hogy rugalmasan illeszthetők az adott öntöde kialakításához. [1] [3] Ezen kívül alkalmazzák még, mint például a BMW cégcsoport is a termikus és a mechanikus rendszerek kombinációját. Ennél a típusnál a mechanikus regenerálás mellé egy termikus regeneráló lépcsőt is a rendszerbe állítanak. Ezt a kombinációt időközben a Scheuchel GmbH cég is elkezdte nagyszériás berendezésként forgalmazni. A beruházási költségek magasak a termikus regenerálási blokk miatt. [5] KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK
Hajlító szilárdság %-os értékben A vizsgálatok során újhomokot és mechanikus regenerátumot (az első regenerálási körből) azonos szervetlen kötőanyag és adalékanyag tartalom mellett, ill. mechanikus regenerátumot (az első regenerálási körből) változó kötőanyag és adalékanyag tartalom mellett alkalmaztunk a keverékek előállításához, és ezek tulajdonságait hasonlítottunk össze. A szervetlen kötőanyagrendszer egy vízüveg alapú kötőanyag és a hozzá tartozó por alapú adalékanyag volt. A vizsgálatok során hárompontos hajlítószilárdság vizsgálatot végeztünk el különböző tárolási idők és eltérő kötőanyag-tartalom mellett. A hajlítószilárdság vizsgálatokat a hajlítópróbatestek maglövőgépen történő előállítása után 30 másodperces, 1 órás és 24 órás várakozási idő után végeztük el. Az 1. ábrán az újhomokból és a mechanikus regenerátumból készített keverékek hajlítószilárdság értékei láthatók azonos kötőanyag- és adalékanyagtartalom mellett. 300 Újhomok Regenerátum 250 Recept: Magas kötőanyag tartalom 0,9% adalékanyag 200 150 100 50 0 30 s 1 h 24 h Tárolási idő 1. ábra Az újhomokból és a regenerátumból készített keverékek hajlítószilárdság értékei azonos kötőanyag- és adalékanyag-tartalom mellett. Megállapítható, hogy a mechanikus regenerátumból készített keverékek esetén azonos kötőanyag- és adalékanyag-tartalom mellett a kezdő szilárdsági érték 20 %-
Hajlító szilárdság %-os értékben os, míg az 1 órás és a 24 órás tárolás esetében pedig 29 %-os szilárdság növekedést mutatnak. Az 1 órás és a 24 órás tárolás szilárdság értékei között nem tapasztaltunk eltérést. A 2. ábrán a mechanikus regenerátumból készített keverékek hajlítószilárdság értékei láthatók eltérő kötőanyag-tartalom és a különböző tárolási idő mellett. 300 Regenerátum + alacsony kötőanyagtartalom Regenerátum + közepes kötőanyagtartalom 250 Regenerátum + magas kötőanyagtartalom 200 Adalékanyag tartalom 0,9 % 150 100 50 0 30 s 1 h 24 h Tárolási idő 2. ábra A mechanikus regenerátumból készített keverékek hajlítószilárdság értékei eltérő kötőanyag-tartalom esetében Megállapítható, hogy a kötőanyag mennyiségének csökkentésével a hajlítószilárdság értékek csökkennek. A kezdő szilárdság esetében a magas kötőanyag-tartalomhoz képest a közepes kötőanyag-tartalom esetében 10%-os csökkenés, míg az alacsony kötőanyag tartalomnál 20%-os szilárdságcsökkenés tapasztalható. Az 1 órás vizsgálatok esetében a közepes kötőanyag-tartalomnál 2%- os, míg az alacsony kötőanyagnál 18%-os szilárdságcsökkenést tapasztaltunk. A 24 órás tárolás után a közepes kötőanyag-tartalom esetében 9 %-os, míg az alacsony kötőanyag-tartalom esetében 20 %-os szilárdságcsökkenést tapasztaltunk. A 3. ábrán a mechanikus regenerátumból készített keverék hajlítószilárdság értékei láthatók azonos kötőanyag- és csökkentett adalékanyag-tartalom esetében.
Hajlító szilárdság %-os értékben 300 250 Regenerátum 0,5% adalékanyaggal Regenerátum 0,7% adalékanyaggal Regenerátum 0,9% adalékanyaggal 200 Magas kötőanyagtartalom 150 100 50 0 30 s 1 h 24 h Tárolási idő 3. ábra A mechanikus regenerátumból készített keverék hajlítószilárdság értékei azonos kötőanyag- és csökkentett adalékanyag-tartalom esetén A különböző mennyiségben hozzáadott adalékanyag esetén a 30 másodperces vizsgálatok értékeiben tapasztalható jelentős eltérés. A hajlítószilárdság értékeiben 0,7% adalékanyagnál 8%-os, míg 0,5% adalékanyag-tartalomnál 17%-os szilárdságcsökkentés tapasztalható. Az 1 órás tárolást követően elvégzett vizsgálatok szilárdsági értékei körülbelül 3%-os csökkentést mutatnak. A 24 órás tárolást követően a szilárdság értékek 7 %-kal csökkentek. ÖSSZEFOGLALÁS Azonos kötőanyag- és adalékanyag-tartalom mellett a regenerátummal készített keverékek esetén, az újhomokból készített keverékekhez képest 29%-al nagyobb hajlítószilárdság érhető el. A tárolási idő hatására a szilárdságértékek 1 órás tárolás után egy maximumot mutatnak, majd pedig 24 óra elteltével csökkennek. A kötőanyag-tartalom csökkentése nagyobb hatást gyakorol a hajlítószilárdság értékeire, mint az adalékanyag-tartalom csökkentése. IRODALOMJEGYZÉK
[1] POLZIN, H.: Inorganic binders for mould and core production in the foundry 2014 Schiele &Schön kiadó [2] Dr. TÓTH L.: Forma és magkészítési ismeretek oktatási segédlet, 2011 [3] FLEMMING, TILCH: Formstoffe und Formverfahren. Leipzig, Deutscher Verlauf für Grundstoffindustrie, 1993 [4] POLZIN, JARUSZEWSKI, MÜLLER-SPÄTH: Die Regenerierung von Wasserglas-Ester-altsanden in einer mittelständischen Aluminium Gießerei, Gießerei 99 04/2012 S.70-81. [5] SCHWICKAL, HOFFMAN, BLÜMLHUBER, WEISSENBEK: Regenerierung von anorganisch gebundenen Gießereikernsanden Gießerei 96 11/2009 S. 40-44