Przygotowanie próbek do badań technologicznych

Próbki do badań technologicznych przygotowano z trzech rodzajów mas formierskich: 1. masy wiązane CMS-Na w postaci 5-procentowego roztworu wodnego;

2. masy wiązane CMS-Na w postaci stałej; 3. masy klasyczne z dodatkiem CMS-Na.

Masy formierskie 1 i 2 przygotowano w laboratoryjnej mieszarce krążnikowej typu LM-1 firmy WADAP o maksymalnej pojemności misy 6 kg. Sporządzoną masę pobierano sukcesywnie do formowania znormalizowanych kształtek, a niewykorzystywaną w danej chwili masę przechowywano pod przykryciem w naczyniu Aulicha w celu zabezpieczenia jej przed wysychaniem. Kształtki formowano w warunkach wilgotności powietrza w zakresie 27-50% i temperaturze otoczenia w zakresie 23-27ºC. Następnie z przygotowanych mas 1 i 2 uformowano próbki (kształtki standardowe), które utwardzano na drodze fizycznej. Utwardzone kształtki przeznaczone do badań technologicznych przechowywano maksymalnie do 24 h w identycznych warunkach jakie panowały w laboratorium podczas sporządzania mas (wilgotność powietrza w zakresie 27-50%, temperatura otoczenia w zakresie 23-27ºC). Natomiast masy trzeciego rodzaju przygotowywano zgodnie z procedurą sporządzania mas klasycznych zalewanych na wilgotno [137].

Masy formierskie wiązane solą sodową karboksymetyloskrobi

Przygotowanie próbek mas formierskich przeznaczonych do badań technologicznych przeprowadzono w trzech etapach, które obejmowały: I. etap - sporządzenie mas formierskich, II. etap - przygotowanie kształtek standardowych, III. etap - utwardzenie w polu mikrofal kształtek standardowych. Utwardzone kształtki standardowe kierowano do badań wybranych właściwości technologicznych.

I. Sporządzanie mas formierskich

Masy formierskie wiązane solą sodową karboksymetyloskrobi przeznaczone do badań technologicznych sporządzono w dwojaki sposób:

 do odważonej porcji osnowy piasku kwarcowego dodawano odważoną porcję roztworu wodnego soli sodowej karboksymetyloskrobi przy zachowaniu stosunku wagowego spoiwa do osnowy 3:100. Udział spoiwa w masie zaproponowano w oparciu o dane literaturowe związane ze sporządzaniem i utwardzaniem mas formierskich ze spoiwami biopolimerowymi [149, 150]. Wszystkie składniki mieszano przez 3 min. W celach porównawczych w analogiczny sposób sporządzono masę z udziałem skrobi natywnej w postaci roztworu;

 do odważonej porcji osnowy kwarcowej wprowadzano sól sodową karboksymetyloskrobi w postaci stałej CMS-NaH i Polvitex®Z przy zachowaniu proporcji wagowych spoiwa do osnowy 1,5:100 lub 2,5:100. Suche składniki mieszano w misie mieszarki przez 1 minutę. Następnie wprowadzano wodę destylowaną przy utrzymaniu stosunku wagowego spoiwa do wody 1:2. Całość mieszano przez 3 minuty. W celach porównawczych w analogiczny sposób sporządzono masę wiązaną skrobią natywną w postaci stałej. Udział materiału skrobiowego w masie zaproponowano w oparciu o dane literaturowe związane ze sporządzaniem mas przeznaczonych do utwardzania w polu elektromagnetycznym [190, 191] oraz badania własne prowadzone w zakresie utwardzania mas ze spoiwami na bazie polisacharydów modyfikowanych [192].

W tabeli 3.5. przedstawiono składy mas formierskich z uwzględnieniem rodzaju zastosowanego materiału skrobiowego wprowadzanego w postaci stałej.

Tabela 3.5. Składy mas formierskich z udziałem materiałów skrobiowych wprowadzanych w postaci stałej

Lp. materiału skrobiowego ^{Rodzaj zastosowanego}

Udział materiału skrobiowego w masie, cz. wag. Udział rozpuszczalnika w masie, cz. wag. Udział osnowy w masie, cz. wag. 1 SN 1,5 3,0 100 2 CMS-NaH 3 Polvitex®Z 4 SN 2,5 5,0 100 5 CMS-NaH 6 Polvitex®Z

II. Przygotowanie kształtek laboratoryjnych

Ze sporządzonych mas wykonano trzy rodzaje znormalizowanych kształtek laboratoryjnych [193]: standardowe kształtki walcowe przeznaczone do pomiaru przepuszczalności (Pw i Pu) i ścieralności (Su), kształtki podłużne do oznaczenia wytrzymałości na zginanie masy po utwardzeniu (Ru_g) oraz ósemkowe do oznaczenia wytrzymałości na rozciąganie masy w stanie utwardzonym (Ru_m). Wszystkie kształtki formowano zagęszczając masę formierską ręcznie przy użyciu ubijaka laboratoryjnego typu LU. Kształtki ósemkowe (dog bone) do oznaczania wytrzymałości na rozciąganie w stanie utwardzonym i podłużne do oznaczania wytrzymałości na zginanie w stanie utwardzonym zagęszczano w odpowiedniej foremce dzielonej do ręcznego wykonywania kształtek. Kształtki walcowe (50x50 mm) wykonywano w tulejce niedzielonej.

Przed wykonaniem każdej serii kształtek doświadczalnie dobrano porcję naważki potrzebnej do uzyskania standardowej kształtki o wymiarach nominalnych, sprawdzając przez wziernik wysokość próbki zagęszczonej na ubijaku, czy kreska nacięta na stemplu znajduje się powyżej kreski tolerancyjnej. Następnie ustaloną porcję masy przesypywano luźno przez lejek do odpowiedniej formy, którą ustawiano pod stopką ubijaka laboratoryjnego. Zagęszczenie masy uzyskano przez trzykrotne uderzenie ciężarka ubijaka o masie 6,66 kg. Wysokość spadania ciężarka wynosiła 50 mm. Zagęszczone kształtki uznawano za wykonane poprawnie, jeżeli po zagęszczeniu ich wysokość mieściła się w wyznaczonych granicach nominalnej wysokości kształtki oraz dopuszczalnych odchyleń wysokości. Kształtki walcowe wyjmowano z tulei przy pomocy wypychacza, a kształtki podłużne i ósemkowe wyjmowano z formy po rozłożeniu formy dzielonej. Kształtki standardowe skierowane do utwardzania mikrofalowego umieszczano na płytkach ceramicznych, które układano na obrotowym talerzu znajdującym się we wnętrzu urządzenia mikrofalowego.

III. Utwardzanie kształtek laboratoryjnych

Kształtki z mas formierskich (masy 1, por. wstęp do podrozdziału 3.2.3) do badań technologicznych utwardzano w dwojaki sposób: poprzez nagrzewanie konwencjonalne oraz utwardzanie mikrofalowe.

Utwardzanie przez konwencjonalne nagrzewanie prowadzono w suszarce laboratoryjnej SUP-65 nagrzanej do temperatury 100C przez 0,5 h. Wszystkie kształtki przeznaczone do badań umieszczono jednocześnie w komorze suszarki na podkładkach z dnem perforowanym (oryginalne wyposażenie suszarki).

Ilość kształtek w pakiecie poddawanych ekspozycji promieniowania mikrofalowego była ograniczona pojemnością komory reakcyjnej oraz rozmiarami kształtek. Doświadczalnie sprawdzono, że jednorazowo można umieścić w komorze 4 kształtki ósemkowe, 2 kształtki podłużne lub 4 kształtki walcowe. Mając na uwadze, że przygotowywane do badań kształtki różniły się od siebie nie tylko kształtem, ale również masą, przyjęto, że czas ekspozycji próbek na działanie mikrofal będzie dostosowany też do masy pakietu składającego się z odpowiedniej ilości kształtek. W tabeli 3.6 zestawiono warunki utwardzania próbek mas formierskich wiązanych solą sodową karboksymetyloskrobi w polu mikrofal.

Tabela 3.6. Warunki mikrofalowego utwardzania próbek mas formierskich wiązanych solą sodową karboksymetyloskrobi

Lp. Kształtka (masa 1 szt.)

Ilość kształtek w pakiecie kierowanym do utwardzenia Sumaryczna masa pakietu Czas ekspozycji pakietu ^Temperatura 1 ósemkowa (85-87 g) ^{4 340-348 g 120 s} 100ºC

(we wnętrzu kształtki)

2 podłużna

(153-157 g) ^{2 306-314 g 120 s}

3 _{(157-160 g)} ^walcowa 4 620-640 g 240 s

*urządzenie mikrofalowe INOTEC MD 10940/Moc mikrofal 800 W, częstotliwość 2,45 GHz

Masy klasyczne z udziałem soli sodowych karboksymetyloskrobi

Z danych literaturowych wynika, że skrobia natywna i dekstryny stosowane są głównie do mas formierskich przeznaczonych do wykonywania odlewów staliwnych [138]. Poprawiają one wytrzymałość masy formierskiej i zmniejszają jej skłonność do powodowania wad odlewniczych związanych z rozszerzalnością masy formierskiej. W zależności od źródeł literaturowych udział dodatku skrobiowego jest uzależniony od pochodzenia botanicznego skrobi. Przykładowo, udział skrobi zbożowej (preparatu na bazie skrobi zbożowej) w świeżo sporządzanej masie klasycznej z bentonitem (6 cz. wag.) powinien mieścić się w zakresie 0,5-0,75%wag. (preparat wprowadzany do masy w postaci 10-procentowego roztworu koloidalnego) [138]. Natomiast skrobia kukurydziana może być wprowadzana do masy w ilości

3,0-9,0% [194]. Jednakże w literaturze nie znaleziono jednoznacznych wytycznych, co do składu mas klasycznych z udziałem sypkich dodatków na bazie skrobi ziemniaczanej. W niniejszej pracy, kierując się doniesieniami literaturowymi w zakresie badania wpływu polisacharydów na właściwości mas klasycznych [143] przygotowano masy z bentonitem w dwóch wersjach składu (składniki mieszano w misie laboratoryjnej mieszarki krążnikowej typu LM-1 firmy WADAP):

 do odważonej porcji 100 cz. wag. osnowy kwarcowej wprowadzano 6 cz. wag. bentonitu i 0,5 cz. wag. materiału skrobiowego w postaci wyjściowej (stałej): SN, CMS-NaH oraz Polvitex®Z. Następnie wprowadzano wodę destylowaną (porcja 40 ml), mieszano przez 3 minuty, po wyjęciu z misy mieszarki przesiewano przez sito o określonej wielkości oczek i kierowano do badań wybranych właściwości mas formierskich (w stanie wilgotnym);

 do odważonej porcji 100 cz. wag. osnowy kwarcowej wprowadzano 6 cz. wag. bentonitu i 1,0 cz. wag. soli sodowej karboksymetyloskrobi w postaci wyjściowej (stałej): SN, CMS-NaH oraz Polvitex®Z. Następnie wprowadzano wodę destylowaną (porcja 40 ml), mieszano przez 3 minuty, po wyjęciu z misy mieszarki przesiewano przez sito o określonej wielkości oczek i kierowano do badań wybranych właściwości mas formierskich (w stanie wilgotnym).

Po uformowaniu kształtek standardowych (ubijak laboratoryjny typ LU-1) i wykonaniu serii oznaczeń wybranych oznaczeń mas przy uzyskanej wilgotności (gęstość pozorna, przepuszczalność, płynność swobodna, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ścinanie, osypliwość), masę ponownie umieszczano w misie mieszarki, wprowadzano kolejną porcję wody (porcja 20-50 ml) i powtarzano proces mieszania. Masę dowilżano kilkukrotnie aż do momentu uzyskania maksimum, a następnie zdecydowanego spadku właściwości wytrzymałościowych.

W tabeli 3.7 zestawiono składy mas klasycznych. Tabela 3.7. Składy mas klasycznych bez i z dodatkiem skrobiowym

Lp Rodzaj masy masy w tekście ^Oznaczenie

Osnowa kwarcowa cz. wag. Udział bentonitu, cz. wag. Dodatek skrobiowy, cz. wag. Zakres wilgotności masy W, %

1 _skrobiowego ^{bez dodatku} B 100 6 -

maks. 4,0% 2 _skrobiowym ^{z dodatkiem} B+SN(0,5) 100 6 0,5 B+Polvitex®Z(0,5) 100 6 0,5 B+CMS-NaH(0,5) 100 6 0,5 B+SN(1,0) 100 6 1,0 B+Polvitex®Z(1,0) 100 6 1,0 B+CMS-NaH(1,0) 100 6 1,0