TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ Katedra strojírenské technologie SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI VYBRANÝCH JÁDROVÝCH A FORMOVACÍCH SMĚSÍ

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ Katedra strojírenské technologie Studijní program M 2301 Strojní inženýrství Studijní obor 2303T002 Strojírenská technologie Zaměření - Strojírenská metalurgie SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI VYBRANÝCH JÁDROVÝCH A FORMOVACÍCH SMĚSÍ MONITORING OF GASSINES OF THE SELECTED CORE AND MOLDING MIXTURES Michal Komenda KSP SM Vedoucí diplomové práce : prof. Ing. Iva Nová, CSc. Konzultant diplomové práce: Ing. Jiří Machuta Rozsah práce a příloh: Počet stran : 64 Počet tabulek: 9 Počet obrázků: 21 Počet příloh:

2 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie Studijní rok:2008/2009 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Jméno a příjmení Michal K O M E N D A Studijní program M 2301 Strojní inženýrství Obor 2303T002 Strojírenská technologie Zaměření Strojírenská metalurgie Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma: Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí Zásady pro vypracování: (uveďte hlavní cíle diplomové práce a doporučené metody pro vypracování) 1. Prostudujte dostupné podklady o plynatosti a měření plynatosti jádrových a formovacích směsí; 2. Seznamte se zařízením pro měření plynatosti vzorků jádrových a formovacích směsí, které je k dispozici na našem pracovišti; 3. Proveďte experimentální měření plynatosti vybraných vzorků směsí na výše uvedeném zařízení. 4. Zhodnoťte dosažené výsledky a formulujte dílčí závěry. 2

3 Forma zpracování diplomové práce: - průvodní zpráva cca 50 stran - grafické práce Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu): [1] VETIŠKA, A.: teoretické základy slévárenské technologie. 2. upravené vydání, Praha [2] JELÍNEK, P.: Disperzní soustavy slévárenských formovacích směsí ostřiva, 1. vyd. Ostrava [3] RUSÍN, K.: Disperzní formovací materiály. [Skripta]. VUT Brno [4] Časopisy: Slévárenství, Hutnické listy, Giesserei, Modern Casting, atd. [5] Články z elektronické verze časopisů - virtuální čítárna knihovny TU Liberec nebo články z časopisů presentované mezinárodní elektronickou sítí. Vedoucí diplomové práce: Konzultant diplomové práce: Prof. Ing. Iva Nová, CSc. Ing. Jiří Machuta L.S prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld vedoucí katedry prof. Ing. Petr Louda, CSc. děkan V Liberci dne Platnost zadání diplomové práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ). Termíny odevzdání diplomové práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky. 3

4 ANOTACE TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie Studijní program: Diplomant Téma práce: M2301 Strojní inženýrství Michal KOMENDA Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí Monitoring of gassines of the selected core and molding mixtures Číslo DP: KSP SM Vedoucí DP: Prof. Ing. Iva Nová, CSc. TU v Liberci Konzultant DP: Ing. Jiří Machuta, - TU v Liberci Abstrakt: Tato diplomová práce se zabývá sledováním a měřením plynatosti jádrových a formovacích směsí. Práce se skládá ze dvou základních částí (teoretická a experimentální). V teoretické části je popsána základní charakteristika slévárenských směsí, vliv plynatosti formovací a jádrové směsi na vznik vad odlitků a také je popsán mechanismus vzniku a vývinu plynů ze směsi. Součástí této kapitoly jsou informativní výpočty vzniklého množství plynů chemických reakcí, které jsou hlavní příčinou plynatosti slévárenských směsí. Experimentální část je zaměřena na kalibraci nově zkonstruovaného měřícího zařízení plynatosti a na měřené plynatosti vybraných vzorků jádrových směsí. 4

5 Abstract: This diploma thesis deals with follow up and measure of gassines core and molding mixtures. The diploma thesis has two basic parts. In theoretical part is described the basic charakteristic of the casting mixtures, the influence of the gassiness sand and core mixtures on beginning casting defects. There is described of mechanism by the beginnig and evolution of gases from mixtures. The informational computings of the rising by the gas quantity in the chemical change are part of this thesis. These gases are main reason of the gassiness the casting mixtures. The experimental part is directed towards on the calibration of the measuring apparatus. This measuring apparatus was newly engineered and makes it possible to measure the gassiness of the core mixtures. 5

6 Místopřísežné prohlášení: Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury. V Liberci, 5. června Michal KOMENDA Husova Louny 6

7 Poděkování Děkuji své vedoucí diplomové práce paní prof. Ing. Ivě Nové, CSc. a konzultantovi Ing. Jirkovi Machutovi za cenné a důležité rady, věnovaný čas a za cenné připomínky, které přispěly k jejímu vytvoření. Poděkování patří také všem dalším, kteří větším či v menším měřítku přispěli k úspěšnému dokončení této diplomové práce. 7

8 OBSAH OBSAH...6 SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE CHARAKTERISTIKA SLÉVÁRENSKÉ FORMY, FORMOVACÍ A JÁDROVÉ SMĚSI CHARAKTERISTIKA OSTŘIV CHARAKTERISTIKA POJIV FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMĚSÍ PŘÍSADY FORMOVACÍCH A JÁDROVÝCH SMSÍ A VODA CHARAKTERISTIKA SÁDRY SÁDROVÝCH FORMOVACÍCH SMĚSÍ PLYNOVÝ REŽIM SLÉVÁRENSKÉ FORMY PLYNOTVORNOST FORMOVACÍCH SMĚSÍ ZDROJE PLYNŮ A PAR PŘI OHŘEVU SLÉVÁRENSKÉ FORMY PLYNOTVORNOST REÁLNÉ FORMY POPIS VZNIKU A PRONIKÁNÍ PLYNU Z FORMY DO TAVENINY METODY SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI METODY PŔÍMÉ PROVOZNÍ METODY NEPŘÍMÉ LABORATORNÍ EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST CHARAKTERISTIKA MĚŘÍCÍHO ZAŘÍZENÍ KALIBRACE ZAŘÍZENÍ POPIS METODY PŘÍPRAVY VZORKŮ PRO SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI PRŮBĚH SLEDOVÁNÍ PLYNATOSTI VYBRANÝCH DRUHU SÁDRY VYHODNOCENÍ ZÁZNAMU PLYNATOSTI DISKUZE VÝSLEDKŮ ZÁVĚR LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH

9 SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ α součinitel stlačitelnosti formovací směsi [-] H výška směsi v rámu před zhuštěním [m] h výška směsi v rámu po zhuštění [m] p z měrný tlak na lisovací desce [Pa] k hodnota součinitele tření směsi o formovací rám [-] ξ poměr svislého a radiálního tlaku [-] a strana formovacího rámu [m] ρ hustota směsi před zhuštěním [kg/m 3 ] ρ hustota směsi po zhuštěním [kg/m 3 ] V pl množství uvolněných plynů formou [m 3 ] V f objem formy [m 3 ] S f povrch styku formy s kovem [m 2 ] m f součinitel prohřátí formy [m/s 1/2 ] p f tlak plynů ve formě [Pa] p m metalostatický tlak [Pa] p p odpor kovu proti vniknutí plynové bubliny do taveniny [Pa] p pf přetlak plynů nad hladinou roztaveného kovu [Pa] V m molový objem plynu [m 3 /kmol] M CaCO3 molární hmotnost CaCO 3 [kg/kmol] V změna objemu uvolněných plynů [m 3 ] V 0 objem měřící soustavy [m 3 ] p změna tlaku uvolněných plynů ze směsi [Pa] p A atmosférický tlak [Pa] t doba ohřevu [s] 9

10 1. ÚVOD Slévání patří mezi nejstarší výrobní postupy, které lidé ovládali již před mnoha tisíciletími. Ještě před začátkem našeho letopočtu dokázaly vyspělé civilizace odlévat jak mnohatunové sochy, tak i drobné složitě tvarované dekorativní předměty. Z původního, především uměleckého řemesla, se slévání přeměnilo v průmyslové odvětví především v 19. století. Nad výrobou kuchyňských potřeb, součástí kamen, ozdobných předmětů, zvonů apod. převládla výroba vodovodních trub, stavebních prvků a dílů výrobních strojů. Ve 20. století se pak stala největším odběratelem odlitků dopravní technika a energetika. Bez odlitků si dnes nelze představit žádný složitější strojírenský výrobek. V průměru se na jejich hmotnosti podílejí zhruba 30 %. Např. v konstrukci osobního automobilu bývá užito více než sta odlitků. Při tom se jedná o díly tvarově nejsložitější a někdy i značně namáhané ( blok motoru, hlava válců, těleso karburátoru, písty a pístní kroužky atd.). Odlitky převládají v konstrukci armatur, spalovacích motorů, kompresorů, obráběcích i tvářecích strojů. Odlitky ale najdeme i ve výrobcích elektrotechnického a optického průmyslu, letadlech, lodí, kosmických a jaderných zařízeních. Současná světová slévárenská produkce se pohybuje v rozmezí mil. tun za rok především v závislosti na vzestupu či poklesu výroby automobilů. České slévárenství má bohaté tradice a vždy se řadilo ke světové špičce, i když v posledních desetiletích technicky zaostávalo. Na přelomu 70. a 80. let přesahovala produkce československých sléváren 100 kg odlitků na obyvatele za rok, čímž se dostala na čelní pozice ve světě. V současné době se naše slévárenství zaměřuje především na přizpůsobování jakosti odlitků požadavkům náročných zahraničních trhů. Závažným úkolem je snižování dopadu slévárenské výroby na životní prostředí a zlepšování hygieny práce ve slévárenských provozech. K hlavním výhodám odlévání patří především: - možnost zhotovit díly od hmotnosti několika gramů až do desítek tun, - možnosti dosažení poměrně jednoduchými postupy velmi složitých tvarů, - hospodárnost v kusové i malosériové výrobě, - možnost odlévání většiny kovů a slitin. 10

11 S výrobou kvalitních výrobků také souvisí typ slévárenské formy, způsob přípravy taveniny a metoda odlévání. Na kvalitu výroby odlitků jsou citlivé pískové formy, které během odlévání mohou z nejrůznějších důvodů uvolňovat plyny. Tyto plyny mohou negativně ovlivnit kvalitu odlitků. Výzkumem plynatosti formovacích a jádrových směsí se dlouhá léta zabývá pracoviště Katedra strojírenské technologie TU v Liberci, která v současné době provádí výzkum těchto směsí v rámci výzkumného záměru MSM Také v tomto smyslu je záměr mé diplomové práce, která je zaměřena na téma Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí. 11

12 2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE 2.1 Charakteristika slévárenské formy, formovací a jádrové směsi Slévárenská forma je pracovní předmět vyrobený ze žáruvzdorného materiálu. Uvnitř je dutina, která svým tvarem odpovídá opaku budoucího odlitku zvětšeného o míru smrštění. Odlitím taveniny kovu, resp. slitiny kovů do dutiny a jejím ztuhnutím získáme odlitek. Slévárenská forma může být kovová, písková, keramická, sádrová, atd. Formy lze rozdělit podle různých kritérií, např. podle doby použití lze formy rozdělit na: 1. Netrvalé jsou vyrobeny z formovací směsi a slouží pro jedno odlití (jednorázové). Jedním odlitím lze však ve formě zhotovit více odlitků. Po ztuhnutí odlitků se odlitek vytluče a forma se zničí. Do netrvalých forem se nejčastěji odlévají litiny, popř. některé slitiny hliníku nebo mědi. Netrvalé formy pomaleji akumulují teplo z odlitků a odlitky v nich tuhnou poměrně dlouhou dobu. 2. Polotrvalé jsou to formy vyrobené z různých žáruvzdorných keramických materiálů a lze je použít pro více odlévání (cca 50 odlití). Po každém odlití vyžadují případnou opravu a přesušení nebo vyžíhání. Odlitky určené pro polotrvalé formy musí mít značné úkosy a musí být jednoduchých tvarů bez výstupků, aby se nepoškodily smršťováním a vyjímáním odlitků. 3. Trvalé jsou vyrobeny z kovů nebo jejich slitin, označují se jako kovové formy. Při gravitačním lití se tyto formy označují jako kokily. Jsou určeny pro velké množství odlití, např. při tlakovém lití slitin hliníku lze provést v kovových formách až statisíce odlití; závisí na složitosti a velikosti odlitku. Tyto formy jsou určeny pro velkosériovou výrobu odlitků. Formovací směsi se skládají alespoň ze dvou základních složek ostřiva a pojiva. Dále směs může obsahovat vodu, u jílových a anorganických pojiv (sádra, vodní sklo). U jílových pojiv voda slouží jako plastifikátor a dává směsi vhodné vlastnosti pro její formování (formovatelnost, tekutost, atd.). Nezbytné jsou ve formovací směsi přísady. Přísady jsou látky které zlepšují některé vlastnosti směsi při styku s roztaveným kovem nebo po ztuhnuti odlitku. Jako např. odolnost proti zapečeninám, kdy do formovací směsi přidáváme kamenouhelnou moučku letek, 12

13 který po odlití formy hoří, vytváří plyny, které působí proti nadměrné penetraci taveniny mezi zrna formy. Nebo se přidávají dřevěné piliny, které po vyhoření zvyšují prodyšnost formy, popř. se přidávají látky zvyšující rozpadavost formy Charakteristika ostřiv [3], [4] Ostřivo je nosnou částí formovací nebo jádrové směsi a je nositelem její žáruvzdornosti. Ostřivo jsou částice větší než 0,02 mm. Jeho vlastnosti mohou být velmi rozdílné. Většinou je materiálem křemen. Kromě křemene se v něm mohou objevit i zrna živcová, slídová apod. u syntetických formovacích směsí mohou být ostřivem zrna korundová, drcený šamot, magnezit apod. Pro slévárenské účely důležitými vlastnostmi jsou žáruvzdornost, žárupevnost, chemická podstata, velikost a tvar zrna. Velikost zrn ostřiva je hodnocena síťovým rozborem resp. součtovou křivkou zrnitosti. Ostřivo kyselého charakteru Mezi ostřiva kyselého charakteru se řadí především ostřivo na bázi křemene. Chemicky je křemen kysličník křemičitý SiO 2. Je hlavním materiálem ostřiva přirozených i většiny syntetických směsí. Je to proto, že se vyskytuje v přírodě v dostatečným množství na různých místech, má většinou i vhodnou zrnitost, je dostatečně žáruvzdorný. Kromě těchto velmi výhodných vlastností má také některé nevýhody. Především křemen prodělává při zahřívání krystalické přeměny, které jsou spojeny se značnými a prudkými změnami rozměrovými. Tyto rozměrové změny křemenných zrn vedou ke vzniku pnutí uvnitř formy (vznik zálupů). Další jeho nevýhodou je, že vdechování křemičitého prachu po delší dobu může vést ke vzniku nebezpečného onemocnění plic tzv. silikózy. V některých případech je nevýhodou kyselý charakter křemene. Vzniká-li na povrchu odlévaného odlitku zásaditý kysličník (např. při odlévání oceli s velkým obsahem Mn), reaguje tento zásaditý kysličník s kyselým formovacím materiálem a vzniknou snadno tavitelné křemičitany povrch odlitků je zapečený. Hustota křemenných zrn je asi 2650 [kg/m 3 ]. Čistý křemen je bezbarvý, čirý. Tavící teplota křemene je vyšší než 1700 C. Křemen je mimořádně odolný proti chemickým vlivům. 13

14 Oxid křemičitý existuje v mnoha modifikacích. Přeměny jedné modifikace v druhou jsou spojeny se změnou objemu. Rozezníváme přeměny dvojího druhu: rychlé, které proběhnou za několika vteřin a jsou vratné, a přeměny pomalé, při kterých nastávají podstatné změny v krystalické mřížce a které jsou v normálních případech nevratné. Křemen se vyskytuje v těchto modifikacích: křemen α,β; tridymit α,β,γ; cristobalit α,β a křemenné sklo. Z hlediska formovacích směsí mají největší význam modifikace křemene α a β. Většinou obsahuje písek kromě křemenných zrn také zrna dalších, tzv. průvodních materiálů, které způsobují zmenšení žáruvzdornosti formovací směsi. Tato okolnost však bývá důležitá jen u formovací směsi pro ocelové odlitky. U formovacích písků pro odlitky ze šedé litiny nebo neželezných kovů nemusí mít škodlivý vliv. Nevýhody křemenného ostřiva jsou: 1. Zvýšená reaktivnost za zvýšených teplot s oxidy železa a jiných kovů; 2. Neplynulá tepelná dilatace souvisí s malou rozměrovou přesností odlitků a vznikem slévárenských vad (zálupy, výronky); 3. Cristobalitická expanze probíhá za přítomnosti mineralizatorů a vysokých teplot nad 900 C. 4. Silikóza nemoc plic z nasycení křemenného prachu. Ostřivo zásaditého charakteru Magnezit (MgO) jako ostřiva se magnezitu, vzniklého drcením úlomků magnezitových cihel. Výhodou magnezitu je jeho zásaditý charakter a velká žáruvzdornost (2800 C). Používá se ho proto tam, kde přichází do styku se zásaditými kysličníky. Velmi výhodné je jeho použití jako ostřiva pro odlitky z 12%- ní manganové oceli. Stykem tekutého kovu se vzduchem vzniká na povrchu dolitku vrstva kysličníku manganatého. Kdyby tento zásaditý MnO se dostal do styku s kyselým SiO 2, vznikl by křemičitan manganatý, jehož teplota je podstatně nižší a odlitek by byl zapečený. Chrommagnezit 40 % MgO do 35 % Cr 2 O 3 ; snáší teploty nad 2000 C. Magnezitchrom 60 % MgO do 20 % Cr 2 O 3. Tyto ostřiva mají vysokou hodnotu tepelné vodivosti, vyšší hustotu a nízký součinitel lineární roztažnosti, který dává předpoklady k odolnosti vůči náhlým změnám teplot. 14

15 Ostřivo neutrálního charakteru Šamot (Al 2 O 3 SiO 3 ) se vyrábí pálením žáruvzdorných jílů. Jako ostřiva se používá tzv. šamotový mas. Jsou velmi žáruvzdorné i prodyšné a netvoří zálupy. Šamot je však mnohem dražší než písky a musí se sušit přímo při mnohem vyšší teplotě. Proto používáme všude, kde je to možné, syntetické směsi s křemennými písky. Dosud se používá šamotových mas pro těžké a nejtěžší odlitky z oceli. Poměrem SiO 2 / Al2O3 je dána žáruvzdornost i chemický charakter šamotu. Čím větší je obsah Al 2O3 v šamotu, tím větší je jeho žáruvzdornost. Je-li poměr SiO větší než 4, je šamot kyselý, je-li 2 až 4 je šamot normální a je-li 2 / Al2O3 poměr menší než 2, nazývá se šamot hlinitý. Jako ostřiva se používá normálních šamotů, málo pórovitých, drcených na zrna o velikosti 0,2 až 3 mm, nepravidelné zrnitosti. Korund (Al 2 O 3 ) zvyšováním obsahu Al 2O3 v šamotu se zvětšuje jeho žáruvzdornost. Korund je vlastně čistý Al 2O3. Jeho tavící teplota je 2000 C a je velmi odolný proti chemickým vlivům. Pro technické účely se vyrábí tzv. elektrokorund. Jeho použití jako ostřiva v běžných případech by však bylo hospodářsky zcela neúnosné. Používá se ho proto jen ve zcela speciálních případech a častěji jen jako základní složky barviv pro nejtěžší ocelové odlitky. Chromit (FeO Cr 2 O 3 ) je vlastně kysličník chromitý a svými vlastnostmi se podobá magnezitu. Má neutrální charakter. Model se obloží vrstvou chromitové směsi tlustou jen několik cm (dle tloušťky stěn odlitku). Olovín - v severských státech, kde jsou bohatá naleziště těchto minerálů, používá se ho místo křemenného písku. Olovín má velkou žáruvzdornost i stálost při změnách teplot. Ostřiva speciální Grafitová jako ostřiva se používá drcených střepů žáruvzdorných grafitových kelímků nebo elektrod. Grafitové ostřivo je významnou složkou ostřiva polotrvalých šamotových forem. Formy při lití je nutné chránit před stykem se vzduchem nad teplotou oxidačního bodu, což je 451 C. Jinak by docházelo k vyhořívání grafitu. Odlitky z těchto ostřiv jsou velmi přesné a mají hladký povrch. 15

16 Kovová ostřiva jsou to kovové třísky nebo broky. Vhodnou úpravou a ve směsi s vhodným pojivem tvoří tzv. polokovové směsi. Tyto směsi mají velkou tepelnou difúzi a používá se jich nejčastěji jako vnějších tvarovaných polochladítek pro chlazení odlitků Charakteristika pojiv formovacích a jádrových směsí [4] Vedle ostřiva je ve formovací směsi další důležitou složkou pojivo. Spojením pojiva s ostřivem vzniká do jisté míry kompaktní hmota, kterou lze formovat a tvarovat. Tato hmota se po formování (tvarování) vyznačuje určitou pevností v tlaku, která se za syrova (bez vysušení) nazývá vaznost. Dále po vysušení nebo různých podmínkách přípravy formy je pevnost např. pevnost po vysušení a vytvrzení, pevnost za vysokých teplot i zbytková pevnost směsí (rozpadavost po odlití). Dlouholetý vývoj formovacích směsí lze rozdělit do čtyř generací, jak je schématicky uvedeno na obr

17 Obr Stručný přehled vývoje pojiv formovacích směsí [4] 17

18 Pojiva I. generace : ostřivo + jílové pojivo mechanický způsob pojení (pěchování, střásání, lisování, atd.). Pojiva II. generace : ostřivo + pojivem je chemická látka chemický způsob pojení (v důsledku chemické reakce). Pojiva III. generace : běžné ostřivo + voda nebo ostřivo kovové z magnetického materiálu bez pojiva nebo pouze ostřivo pevnost forem se získává v důsledku fyzikálních sil. Pojiva IV. generace : ostřivo + pojivo, které by mělo být na bázi živých organismů pevnost formy na základě biologického účinku. Pojiva I. generace pojiva této generace jsou jílová, kde pojení je výsledkem sil kapilárního tlaku a sil Van der Walsových. Mezi částicí ostřiva a pojivem působí síly adhezní (přilnavé), mezi částicemi pojiva kohezní. Jílová pojiva jsou nejčastěji součástí přírodních směsí. Jíly dělíme : Kaolinitický jíl Al 2 O 3.2SiO 3.2H 2 O (kaolinit). Pojivo se šamotovým lupkem tvoří formovací směs určenou pro výrobu forem a jader pro odlévání ocelových odlitků. Je to směs na sušení, která se suší při teplotě 650 C. Má ze všech jílů vynikající žáruvzdornost, ale nejmenší bobtnatost. Illitický jíl doprovází přírodní písky. Nejdůležitějším minerálem této skupiny je glaukonit (zelené barvy). Jíl se používá pro odlévání těžkých litinových odlitků, neboť má dobrou žáruvzdornost i dobrou bobtnavost. Montmorillonitický jíl Al 2 O 3.4SiO 3.2H 2 O.nH 2 O. Má-li jílové pojivo více jak 75 až 80 % montmorillonitu, pak se tyto jíly nazývají bentonity. Bentonity se řadí mezi nejrozšířenější jílová pojiva a slouží k výrobě bentonitových směsí. Mají výbornou pojivovou vlastnost (2,5 krát vyšší než u kaolinitů) a umožňují přípravu směsi s minimálním obsahem pojiva (6 až 8 %) a tím i s nejmenším potřebným obsahem vody (pod 5 %). Jsou výhodně používány jako směsi na syrovo a mají velké uplatnění při strojním formování na automatických formovacích linkách. Je důležité, aby ve směsi bylo dostatek pojiva. Velmi důležitý je též pojivový systém voda- jíl, který z chemického hlediska představuje tzv. soly (kapalina v níž je rozptýlená tuhá fáze). Částice solu je tvořena jádrem a obalovou sférou, to celé dává tzv. micelu. 18

19 Důležitým pojmem je optimální vlhkost bentonitové směsi, je vlhkost, při které je směs nejlépe zpracovatelná. Stanovení optimální vlhkosti směsi nelze určit z maximálních hodnot vaznosti ze závislosti vaznost vlhkost. To proto, že formovací bentonitové směsi jsou s maximální vazností suché a drobivé. Z tohoto důvodu hodnotu optimální vlhkosti V opt stanovujeme na základě maximální prodyšnosti. S vlhkostí formovací směsi souvisí i možnost vzniku zálupů. Z obr je patrné, jak množství bentonitu ve směsi ovlivňuje pevnost za syrova (vaznost) formovací směsi s křemenným ostřivem, čárkovaně je vyznačena optimální vlhkost dané směsi s příslušným obsahem bentonitu. Na obr je uvedeno stanovení optimální vlhkosti bentonitové směsi z průběhu její prodyšnosti. Obr Vliv obsahu bentonitu na hodnocení vaznosti formovací směsi [4] 19

20 Obr Stanovení optimální vlhkosti bentonitové směsi z průběhu její prodyšnosti [4] Zhušťování, nebo-li spěchování, směsí I. generace je mechanický způsob pojení, který se provádí za účelem získání potřebného tvaru dutiny formy s vyhovujícími pevnostními vlastnostmi především na licí slévárenské formy. K pojení se využívá Van der Walsových sil a kapilárních tlaků. Během zhušťování se zmenšuje celkový objem směsi až do vyčerpání její plastické deformace. Ke způsobům zhušťování formovacích směsí I. generace se řadí : lisování, metání, střásání, střásání s dolisováním. Mezi nové metody se řadí např. zhušťování tlakem plynů. Důležitým kritériem zhuštění je součinitel stlačitelnosti formovací směsi (α), který nabývá hodnoty (α = 1,3 až 2,4), lze vypočítat: H α = = h kde značí: ρ 1 hustota směsi před zhuštěním; ρ 2 hustota směsi po zhuštění; H výška směsi v rámu před zhuštěním; h výška směsi v rámu po zhuštění; ρ1, (2.1) ρ 2 Působící síla (P) nezhustí směs ve formě rovnoměrně v celém objemu formy. Neplatí zde hydraulické zákony šíření tlaku všemi směry. S ohledem na disperzní povahu formovací směsi a vnitřní tření mezi zrny ostřiva i formovacího rámu se šíří 20

21 tlak pod lisovací deskou zákonem kužele maximálního tlaku. Tato skutečnost vede ke zmenšování účinné síly ve vzdálenosti od tlačné desky, viz obr Obr Kuželová plocha při lisování formovací směsi [4] Velikost zhušťovacího tlaku směsi (p z ) v rámu ve vzdálenosti (z) od tlačné desky lze vypočítat: p z = p k e z 4k ξ a (2.2) kde značí: p k měrný tlak na lisovací desce; k hodnota součinitele tření směsi o formovací rám; ξ poměr svislého a radiálního tlaku v úrovni (z); a strana formovacího rámu. Tlak směsi po zhuštění p z v určitém místě formy z, od lisovací desky představuje exponenciální průběh. Kvalita upěchování formy musí odpovídat požadované pevnosti formy, která musí odolávat metalostatickým a metalodynamickým účinkům tekutého kovu a současně musí zabezpečovat dobrou prodyšnost formy. Pojiva II. generace jsou založená na chemické podstatě pojení, budˇ za tepla nebo za studena. Pojiva mohou být organická nebo anorganická (minerálního původu). A. Organická pojiva Organická slévárenská pojiva, která se používají ve slévárenství jsou : 21

22 Přírodní oleje, umělé pryskyřice, sacharidy: Tato pojiva mají uplatnění především v oblasti jádrových směsí a umožňují progresivní metody výroby jader. Směsi mají vysokou pevnost po vytvrzení v ohybu a nízkou teplotu termodestrukce a dobrou rozpadavost. Nevýhodou pryskyřičných pojiv je vysoká plynotvornost. Tato jádra lze déle skladovat. Směsi mají i velmi dobrou tekutost, proto se mohou do jaderníku foukat (suché obalené směsi) nebo vstřelovat. Starší druhy organických pojiv, jako sacharidy a živočišné a rostlinné oleje, jsou dnes nahrazovány umělými pryskyřicemi. 1. Olejová pojiva jsou ve vodě nerozpustné. Používají se jen ty, které mají schopnost tuhnout oxidací za vzniku pryskyřitých látek. Jsou určena pro výrobu jader, směs obsahuje cca 2 až 4 % olejového pojiva. Získávají se z mastných kyselin, jejíchž základem strukturního vzorce je benzenové jádro s několika dvojnými vazbami. Oxidace a sušení olejového pojiva při teplotě 230 až 250 C způsobuje vytvrzovací proces ostřiva s pojivem. 2. Sacharidy jsou ve vodě rozpustné, proto při mísení může být směs vlhká. Sacharidy výrazně zvyšují vaznost písku za syrova. Nevýhodou je, že přijímají vlhkost ze vzduchu. Mají dobrou pevnost po vysušení. Používají se při výrobě jader. Četné sacharidy mají poměr v molekule H a O rovný 2:1 (stejně jako v H 2 O). Jejich přibližné složení může být vytvořeno vzorcem: C n (H 2 O) n. Sacharidy se dělí na dvě skupiny: Sacharidy s nižší molekulovou hmotností (monosacharidy a oligosacharidy ), to jsou běžné cukry; sacharidy s velkou molekulovou hmotností, označují se též polysacharidy, jejich obecný vzorec je (C 6 H 10 O 5 ) n. H 2 O. Monosacharidy jsou bezbarvé krystalické látky, které se lehce rozpouštějí ve vodě. Při vyšších teplotách hnědnou za vzniku karamelu. Glukoprén je technický roztok glukózy upravený 10% síranu amonného. Je to hnědá sirupová kapalina s ph = 5,5. Jeho použití je pro vstřelování jader vstřelováním. Melasa je matečný louh z výroby cukru. Obsahuje cca 50% sacharózy, 20% H 2 O a zbytek tvoří alkalické soli. Vysoký obsah alkalických solí způsobuje navlhání forem a jader, což se projevuje značnou plynatostí. Dextronér je matečný louh z výroby glukózy. Sušením dextronéru při teplotě cca 210 C se získávají vyšší mechanické vlastnosti. Při delším skladováním se vylučuje glukóza, tomu lze předejít přidáním 8% síranu amonného. 22

23 Polysacharidy jsou láky, které se při hydrolýze minerálními kyselinami rozpadají na monosacharidy. Některé tvoří ve vodě koloidní roztoky tzv. škroby. Škrob je bílý prášek, ve studené vodě téměř nerozpustný. Běžný škrob mívá 10 až 20% vody. Tu odstraníme opatrným sušením. Vysušený škrob je značně hydroskopický. Při rozpouštění v horké vodě škrob bobtná a vzniká silně viskózní, opticky aktivní roztok, který po ochlazení vytváří lepivý gel označovaný škrobový maz. Ve slévání se škrobovitého mazu využívá velmi málo. Používá se jako přísada do bentonitových směsí ve formě dextrinu, který zlepšuje spěchovatelnost, plastičnost a houževnatost formovacích směsí. 3. Pryskyřice organické látky; po vytvrzení ve vodě nerozpustné a nenavlhavé. Při vytvrzování pryskyřice obalí zrna ostřiva a vytvoří se kompaktní tepelně nevratná hmota. Nejpoužívanější druhy pryskyřice jsou: fenolické, alkydové, polyuretanové, akrylátové, močovinové, atd. Technologické vlastnosti směsí s pryskyřičnými pojivy závisí na druhu pryskyřic a na účelu použití směsí. Všechna pojiva na základě syntetických pryskyřic mají toxické účinky na lidský organizmus. Přispívá k tomu vývin volného fenolu, formaldehydu nebo furanu během přípravy a vytvrzování směsi, které působí na centrální nervovou soustavu člověka. Proto další vývoj pryskyřic je dnes ovlivňován přísnými zdravotními předpisy i jejich vlivu na pracovní a životní prostředí. Pryskyřice se dělí dle způsobu vytvrzení na: - pryskyřice vytvrditelné teplem - pryskyřice vytvrditelné působením katalyzátoru Pro slévárenské účely jsou pryskyřice vyráběny polykondenzací (rozvětvování strukturních řetězců): a) fenolické pryskyřice b) močovinoformaldehydové c) furanové d) kombinované 23

24 B. Anorganická pojiva Mezi anorganická pojiva se řadí vodní sklo, sádra, cement a další koloidní silikáty. 1. Vodní sklo : je anorganického charakteru a je určeno pro výrobu forem, pro výrobu jader se nedoporučuje z důvodu velké zbytkové pevnosti. Směsi s vodním sklem se dříve nazývaly chemicky tvrzené. Některé výhody směsí s vodním sklem vytvrzovaných CO 2 byly hybnou silou vývoje nových, resp. samotvrdnoucích směsí s vodním sklem. K nevýhodám CT směsí s CO 2 se řadí: a) velmi malá vaznost (pevnost za syrova); b) omezená skladovatelnost; c) vysoká spotřeba CO 2 ; d) nižší pevnost po vytvrzení ve srovnání s organickými pojivy; e) zhoršená rozpadavost. Formovací směsi s vodním sklem se dělí do dvou skupin: 1) směsi s ovládaným ztužováním (profukování CO 2, vytvrzování vzduchem, vytvrzování mikrovlnné a infračerveným zářením); 2) směsi bez ovládaného ztužování (ST směsi a samotvrdnoucí směsi). Pojivový systém vodní sklo CO 2 ; výroba CT směsí Křemičité ostřivo s vodním sklem se upěchuje v rámu nebo v jaderníku a profoukne oxidem uhličitým. Tento způsob se používá jak pro výrobu forem, tak jader. Celý velice složitý proces se může zapsat chemickou rovnicí : Na O msio nh O CO msi( OH + Na CO (2.3) ) 4 (vodní sklo + oxid uhličitý gel kyseliny křemičité + soda) 2 3 Oxid uhličitý je suchý, kyselý plyn, který vodní sklo vysuší a současně převede do kyselé rosolovité podoby, tím vzniká gel kyseliny křemičité. Gel kyseliny křemičité postupně přechází v kompaktní hmotu, která získává pevnost v tlaku cca 1 MPa. Dalším produktem je uhličitan sodný, tzv. soda. Ta se může při vyšších teplotách rozkládat na plyn Na 2 O, který je škodlivý pro možnost naplynění taveniny. Celé používání směsí na bázi vodního skla souvisí s jeho horší rozpadavostí. 24

25 Proto se v současné době zkouší do vodního skla přidávat různé přísady, které podporují rozpadavost směsí po jejich vytvrzení tj. snižují zbytkovou pevnost směsí po odlití. Tím byla za uplynulých cca 40 let vyvinuta celá řada dalších variant směsí na bázi vodního skla, jako samotvrdnoucí s práškovými nebo kapalnými tvrdidly estery. Pojivový systém samotvrdnoucích směsí s vodním sklem (ST směsi) Jsou to směsi s vodním sklem, kdy je proces vytvrzování založen na jiném principu a je doprovázen buď exotermickou reakcí nebo bez exotermické reakce. K těmto metodám patří ST směsi vytvrzované práškovými čistými kovy ( Al, Zn, atd.) nebo práškovými FeSi nebo CaSi, což je N-metoda (Nishyama proces). Obě skupiny ST směsí využívají principu rozkladu vody kovem (reakce alkalických roztoků a kovy) za vzniku vodíku a velkého tepelného efektu, který podporuje dehydrataci alkalického křemičitanu. N-proces vychází z velké slučivosti (afinitě) kyslíku s křemíkem: FeSi + 2H 2 SiO 2 +Fe + 2H 2 (2.4) Průběh exotermické reakce je řiditelný variací obsahů vodního skla a FeSi ve směsi: Na 2 O nsio 2 H 2 O 2NaOH + nsio 2 (2.5) FeSi reaguje s NaOH: mfesi + 2NaOH + (2m-1)H 2 O Na 2 O msio 2 + 2mH 2 + mfe (2.6) Proces je silně exotermickou reakcí a probíhá tak dlouho, dokud nejsou FeSi a voda spotřebovány: Na 2 O nsio 2 + mfesi + 2mH 2 O Na 2 O msio 2 + nsi(oh) 4 + 2mH 2 + mfe (2.7) Celý proces lze zapsat zjednodušeně : Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 (2.8) Nevýhodou N procesu je vznik vodíku, který se vzduchem tvoří třaskavou směs. Rovněž vysoká teplota směsi působí nepříznivě na laky modelů a jaderníků. Uplatnění našly ST směsi vytvrzované práškovými nebo kapalnými tvrdidly. Nesnadná rozpadavost forem s vodním sklem dala základ pro další způsoby vytvrzování vodního skla. Vodní sklo může být vytvrzeno esterolem, který obsahuje dvě složky esterů. Jedna složka má nízkou rychlost vytvrzování, druhá vysokou rychlost vytvrzování. 25

26 Esterol je hnědá až žlutá kapalina, bez zápachu a nemá agresivní účinky. Je netoxická a nehořlavá, v uzavřených nádobách je dobře skladovatelná. Vytvrzovací proces je založen na dvoustupňové reakci. V prvním stupni dochází v alkoholickém prostředí vodního skla k rozkladu esteru, kdy se uvolňuje kyselina. V druhém stupni dochází vlivem uvolněné kyseliny k želatinaci vodního skla a ke vzniku pojivových gelů kyseliny křemičité. Mechanismus je podobný jako při reakci vodního skla s CO 2. Za výhodu vodního skla s esterolem lze pokládat velice dobrou rozpadavost vytvrzené směsi. 2. Sádra : Sádrová pojiva se používají na výrobu sádrových forem pro výrobu přesných odlitků. Jelikož se má diplomová práce vztahuje k sádře, tak se více o ní rozepíši v další kapitole. 3. Cement : cementové formovací směsi patří k nejstarším. Jsou hlavně používány ve Francii a Německu. Je to způsobeno tím, že v těchto zemích se vyrábí více druhů speciálních cementů. Běžná cementová směs obsahuje 70 až 80 hmot. dílů křemenného ostřiva, 10 až 12 hm. dílu cementu a zbytek je voda. Cement, jako sádra, tvoří tzv. hydratační pojivo. Hydratace probíhá po celém objemu. Vznikají nové krystalické fáze z přesyceného roztoku a srůstají se v kompaktní celek. Vodní součinitel je 0,6 až 0,9 (hmotnost vody/ hmotnost cementu). V současné době se používají klasické cementové směsi s dobou vytvrzování více než 48 hod. Dále cementové směsi s melasou, která urychluje tuhnutí a současně vzniká síťový polymer, který zpevňuje směs a zvyšuje její plasticitu. Doba vytvrzování trvá více jak 24 hod. Při výrobě cementových forem a jader je důležité, aby cement dostatečně chemicky vázal veškerou vlhkost směsi. Cementové směsi pak při dokonalém vytvrzení při styku roztaveného kovu s formou neuvolňují téměř žádné plyny. Používána jsou ostřiva křemenná, šamotová, olovínová. Hlavní výhodou cementových směsí je jejich tuhnutí na volné atmosféře bez komplikovaného sušení forem a jader. 4. Etylsilikát : organický ester kyseliny křemičité. Používá se pro výrobu keramických forem metodou vytavitelného modelu. Vytvrzení etylsilikátu nastává samovolným rozkladem etylsilikátu nebo se urychluje přidáním kyseliny solné nebo čpavku. K nejpoužívanějším v našich slévárnách patří ETYLSILIKÁT

27 Pojiva III. generace jsou založeny na fyzikálním účinku pojení s ostřivem. Fyzikální účinek můžeme vyvolat pomocí magnetického pole, zmrazování, vakua. Pro magnetický způsob pojení je zapotřebí jiného druhu ostřiva než se používá běžně ve slévárenství. Jedná se nejčastěji o broky z ocele (magnetický materiál) Přísady formovacích a jádrových směsí a voda Jedná se o látky obsažené ve formovací směsi, které nám zlepšují slévárenské vlastnosti formy. Jednou z nejpoužívanějších přísadou je např. kamenouhelná moučka dále to mohou být i dřevěné piliny. Po odlití dřevěné piliny vyhoří a vzniknou nám póry, které nám způsobují lepší prodyšnost formy. V současné době různé firmy nabízí přísady, které známe pod určitým obchodním označením a nebývá uváděné přesné chemické složení nebo jejich podstata. Voda je zdrojem vývinu plynů, vodní páry atd. Tyto plyny jsou nežádoucí, mají značný vliv na špatnou kvalitu odlitků. U pískových směsí se používá cca 4 % vody, závisí na způsobu zhušťování. Voda je jednou z nejdůležitějších součástí při výrobě např. sádrových, cementových a jílových směsí. Voda zde působí jako plastifikátor, tzn. dává formovací směsi vlastnosti nutné k udržení daného tvaru po formování. Po ztuhnutí sádrových nebo cementových směsí je voda přebytečnou látkou, která může být volná nebo vázaná v chemických sloučeninách. Voda volná se odstraňuje odpařováním při teplotě nad 100 C. Voda vázaná se odstraňuje při teplotách vyšších, při tzv. žíhání. 2.2 Charakteristika sádry a sádrových formovacích směsí [5], [6] Z důvodu, že experimentální část této diplomové práce je zaměřena na sledování plynatosti vzorků ze sádrové směsi, resp. ze sádry, byla zvolena samostatná kapitola, která se týká její charakteristice. Sádra patří mezi látky rozpuštěné v mořské vodě. Během mnoha let se vytvořila falešná mořská dna. Díky odpaření se vody se v těchto místech uchoval i sádrovec. Ve střední Evropě před miliony let vznikly velké zásoby sádry. Pokud se tvořily nánosy, došlo k překrývání a sádrovec se dostával níž a níž a díky vyššímu tlaku a rostoucí teplotě došlo o odbourání krystalické vody a vznikl Anhydrit 27

28 (bezvodý CaSO 4 ). Takto vznikly přírodní zásoby sádrovce a anhydritu, které se nachází v hloubce od 2 do 70 m, které se dnes využívají. Obecná charakteristika sádry Sádra je tzv. hydraulické (hydratační) pojivo. Z chemického hlediska představuje polohydrát síranu vápenatého (hemihydrát síranu vápenatého) CaSO 4 1/2H 2 O. Podstatou výroby sádrové formy je z chemického hlediska v podstatě přidání vody do sádry: CaSO 4 1/2H 2 O (S) + 3/2H 2 O (l) CaSO 4 2H 2 O (S) Po ztuhnutí sádry získáme v podstatě sádrovec, který obsahuje určité množství vázané vody. Současně je třeba uvést, že naopak sádra se vyrábí odvodňováním a mletím sádrovce: CaSO 4 2H 2 O (S) CaSO 4 1/2H 2 O + 3/2H 2 O (l) V technické praxi se sádra používá především na výrobu menších a drobných předmětů. V našich slévárenských podmínkách se používá na výrobu centálních částí vlnovodů, malých lopatek dmychadel. V dávných dobách byla sádra používána na výrobu drobných předmětů a také při stavbě egyptských pyramid. Staří Řekové ji poprvé používali cíleně a nazývali ji Gypsos. Tenké plátky alabastrové sádry používali pro zasklení chrámových oken. Využití sádry v minulosti je zobrazeno na obr Obr využití sádry ve starém Řecku [5] Ve střední Evropě se sádra začala používat v ranném středověku. Sádra se používala jako malta ke zdění. Mezi tyto stavby patří například ruina kláštera Walkenried ze 14. století. Svůj rozkvět zažila sádra v době baroka a rokoka. V této době vznikaly mnohé štukatérské výzdoby, které můžeme obdivovat až do dnešních dnů. 28

29 Objevitel používání sádry jako spojovacího materiálu je neznámý. Možná se kameny přírodní sádry používaly k ohraničení ohniště a teplota je rozdrolila na drobný prášek. Pravděpodobně někdo smíchal tento prášek s vodou a vznikla sádrová kaše, která se dala vytvarovat do požadovaného tvaru a na vzduchu vytvrdla. To je celé tajemství přípravy sádry. Z přírodního sádrovce odstranit zahřátím vodu, aby se do sádry před používáním znova voda přidala. Sádra je jediná přírodní látka, která se přidáním vody dokáže vrátit do své původní formy. Sádrovec obsahuje 20% krystalické vody, která se vypaluje při 150 C. Obr nám ukazuje krystalickou stavbu sádry. Obr Sádra: CaSO 4. 2H 2 O [5] Vlastnosti sádry Názvem sádra označujeme všeobecně produkt, který vzniká zahřátím přírodního nebo umělého sádrovce nad dehydratační teplotu. Krystalická mřížka sádrovce je jednoklonná. Je bezbarvý, narůžovělý i našedlý, má specifickou hmotu 2310 kg/m 3, ve vodě je jen málo rozpustný. Lépe se rozpouští ve vodních roztocích kyseliny solné, dusičné, uhličité, zředěných roztocích chloridu sodného a alkalických síranů. Zahříváním ztrácí sádrovec krystalovou vodu a přechází v nižší hydráty až bezvodý síran vápenatý. Označují se polohydrát, rozpustný anhydrit, nerozpustný anhydrit a vysokoteplotní anhydrit. Kolik krystalové vody zbývá po zahřívání sádrovce a jaké má vlastnosti vyrobená sádra, závisí na dehydratačních podmínkách. Podle Van t Hoffa začíná sádrovec ztrácet vodu při teplotě 101 C. Jiní autoři uvádějí teplotu 97 C nebo i 90 C. Také rozmezí teplot pro výrobu jednotlivých druhů sáder se v literatuře často liší. 29

30 Výroba sádry Např. alabastrová sádra obsahující β polohydrát se vyrábí pálením rozemletého sádrovce při teplotě 130 C 180 C v otevřených kotlích nebo rotačních pecích. po vypálení se sádra domílá a třídí větrným třídidlem. Moderně zařízené provozy rozemílají křehký sádrovec hned napoprvé velmi jemně a třídění i vypalování provádějí současně horkým vzduchem. I když je sádra známá již několik tisíc let, nejsou dnešní vědomosti ještě na takovém stupni, abychom mohli vysvětlit do všech podrobností rozdílnou vnitřní strukturu nebo různé chování sádrových nerostů k vodě. Tuhnutí sádry Sádra rozmíchaná s určitým množství vody na řídkou kaši tuhne v pevnou hmotu. Tuhnutím označujeme přechod ze stavu kašovitého do stavu tuhého. Po rozmíchání sádry s vodou probíhá opačný děj než při pálení. Reakce se může vyjádřit rovnicí: (CaSO 4 ) 2 H 2 O + 3H 2 O = 2CaSO 4 2H 2 O + teplo (2.12) Tuhnutí můžeme rozdělit do tří dílčích pochodů, které se ve skutečnosti časově překrývají. Vznik nasyceného roztoku polohydrátů ve vodě, jeho přeměnu na dvojhydrát a nakonec tuhnutí v užším slova smyslu, tj. krystalizace dvojhydrátu. Po prošlé reakci je vhodný roztok přesycený dvojhydrátam, protože plohydrát je několikrát rozpustnější než dvojhydrát. Dvojhydrát vykrystalizuje z roztoku v ostrých jehličkách, které se do sebe zakloubí. Hned na to následuje další rozpuštění a opětná krystalizace. To se opakuje tak dlouho, až celá hmota ztuhne. Tuhnutí je vždy provázeno zvětšením objemu a uvolněním tepla, které se rovná součtu rozpuštěného a hydratačního tepla. Teplota, na kterou se dané množství sádry při tuhnutí ohřeje, závisí na rychlosti tuhnutí. Sádrové formovací směsi Formy ze sádrových směsí se zhotovují odléváním z velmi tekuté břečky, která přesně vyplní složité tvary modelu a tak zaručuje přesné vytvoření formy. Do sádrových forem se odlévají složité modely slitin hliníku, mosazí a bronzů. Odlitky jsou hladké a dosahují přesnosti ±0,2 na 300 mm. 30

31 Metody výroby sádrových forem Odlévání odlitků z neželezných kovů do sádrových forem bylo známo již v dávnověku. Účelem těchto metod nebylo dosažení přesných geometrických tvarů, ale hlavně dobrá reprodukce obrysů uměleckých předmětů, které byly rozmnožovány odléváním. Současná slévárenská technologie vyžaduje od sádrových forem více. Základními hledisky při jejich hodnocení jsou přesnost rozměrů po vysušení, hladkost povrchu a odolnost proti praskání při sušení, dostatečná pevnost a prodyšnost, minimální vývin plynů při lití, atd. U odlitků z těchto forem se hodnotí hladkost povrchu a rozměrová přesnost. Uvedené požadavky lze zajistit pouze speciálními technologickými postupy přípravy sádrové směsi a výroby sádrové formy. Jsou to metody : Antioch, Bendix a metoda napěněné směsi. a) Metoda Antioch Metoda je využívána v řadě zahraničních slévárnách, jejím účelem je získání forem s vysokou prodyšností a nízkým obsahem vody. Prodyšnost se dosáhne dvoufázovým zpracováním forem. V prvé fázi, po odlití a ztuhnutí formy se z ní vyjme model a vloží se do autoklávu, kde se paří 9 hodin v páře o tlaku 0,1 MPa. V této fázi se sádra mění z dvouhydrátu na půlhydrát. Doba tuhnutí sádrové směsi je minut. V druhé fázi se sádrové formy krátce ponořují do vody a odkládají se na 16 hodin, aby mohl proběhnout rekrystalizační pochod. Sádra se mění zpět z půlhydrátu na dvouhydrát, její struktura se však stává zrnitou. Povrch forem si zachovává svou původní hladkost. Poté nastává sušení v pecích s cirkulací vzduchu při teplotě 300 C po dobu 10 až 15 hodin. Rekrystalizace je doprovázena smršťováním formy, které činí 0,6 %. b) Metoda Bendix Při tomto způsobu se používá předehřívaných sádrových forem. Formovací směs se skládá ze sádry, mastku, křemičitého písku, asbestu a dalších přísad. Formy jsou přesnější než u předchozího způsobu, její nevýhodou je menší prodyšnost. Z toho důvodu je nutno formu důkladně vysušit. Optimální podmínky pro sušení jsou při teplotě 230 C po dobu 16 hodin. Odlévá se zpravidla odstředivým způsobem. Vlivem tepla tekutého kovu ztrácí sádra konstituční vodu a pevnost, která se však zmenšuje až po ztuhnutí zrnových podílů kovu, takže se tato vlastnost neprojeví na přesnosti odlitku. 31

32 c) Metoda napěněné směsi Princip je založen na poznatku, že přísada malého množství povrchově aktivní látky do směsi způsobí při mísení napěnění sádrové hmoty. zvyšuje se tekutost směsi při obvyklé vlhkosti, po ztuhnutí dostáváme formovací hmotu prostoupenou množstvím bublinek navzájem složených mikrokanálky, takže forma dosahuje značné prodyšnosti. Během hydratace a tuhnutí sádrové kaše, ve které je malý přebytek vody, dochází k vytvoření pevného filmu na líci formy. Známka správného stupně napěnění směsi je vyloučení přebytku kapiček vody na povrch formy vlivem hydratačního teply. Příprava napěněné sádrové směsi je dvoustupňová. Nejdříve se připravuje saponátová emulze a její napěnění. Po napěnění emulze se přidává do mísícího zařízení sádrová kaše, rozdělaná v jiné nádobě a provádí se homogenizační mísení. Doba tuhnutí se pohybuje od 15 do 20 minut. Po ztuhnutí směsi se vyjme model a forma se suší při teplotě 50 C 60 C po dobu 8 24 hodin. 2.3 Plynový režim slévárenské formy [2] Zdrojem plynů v procesu lití, tuhnutí a chladnutí odlitků je forma, kov a reakce, probíhající na hranici forma kov. Platí zde zásada, aby plyny formy odcházely formou a plyny kovu kovem. Při nevhodných energetických podmínkách na hranici forma kov, často dochází k pronikání plynu formy do kovu a opačně, což je zdrojem celé řady slévárenských vad. Plyny jsou z 50% hlavní příčinou zmetkových odlitků ze šedé litiny, 35% u ocelových a ze 40% u odlitků z neželezných kovů. Avšak plyny spolupůsobí na daleko větším podílu slévárenských vad a podílejí se na většině fyzikálně-chemických procesů ve formě i na hranici forma kov. Přesto zůstává úloha plynů dodnes nedoceněna, zvláště pro zvýšené nároky na experimentální práci, a tedy i neúplné znalosti procesů, které jsou mnohdy založeny na teoretických dohadech. Podle původu plynů rozeznáváme v odlitcích bubliny exogenní a endogenní. Forma nebo jádra jsou zdrojem exogenních plynových bublin, které jsou charakterizovány jako bubliny s oxidovaným povrchem, nacházející se blízko u povrchu odlitků a je-li z jedné tavby odléváno více odlitků, výskyt exogenních bublin nemusí být u všech. Naproti tomu endogenní bubliny, které vznikají přímo v kovu 32

33 (odlitku) mají hladký, neoxidovaný povrch nacházející se v celém objemu odlitku a ve všech odlitcích litých z jedné tavby. S touto hrubou, orientační charakteristikou často nevystačíme a určit původ plynových bublin v odlitcích vyžaduje značné teoretické i praktické znalosti. Poloha identifikovatelné bubliny v odlitku ve většině případů nesouhlasí s místem jejího vzniku, povrch exogenních bublin tvořených vodíkem atmosférou formy je hladký a neoxidovaný. Plyny v kovech se nacházejí v různých formách, jako např. molekulární, atomární, chemické sloučeniny a jako roztoky s kovem. Plyny v molekulární (atomární) formě jsou zdrojem slévárenských vad bubliny Plynotvornost formovacích směsí Vývin plynů ve slévárenské formě (jádře) je důsledkem tepelného působení tekutého kovu na formovací směs, kde probíhají procesy vypařování, uvolnění chemicky vázané vody, oxidace, disociace, atd. Proto na plynotvornost má rozhodující vliv především formovací směs. Plynotvornost směsi: Rozumíme tím schopnost směsi při ohřevu vyvíjet plyny a vyjadřujeme ji v cm 3 na 1g směsi. Pro měření plynotvornosti byla vypracována nepřeberná řada zkušebních metodik. A. Velkou skupinou tvoří zkoušky měření plynotvornosi přímým spalováním vzorků směsi v el. peci. Je pak měřen objem vzniklých plynů nebo úbytek hmotnosti vzorku směsi. Tyto laboratorní metody však neberou ohled na nerovnoměrné prohřátí formy a jádra a proto je pochopitelné, že mnohem přesnější budou přímě metody měření množství plynů, uvolněných z formy ve styku s kovem. B. K dokonalejším metodám ve skupině přímých stanovení plynotvornosti patří metoda BERGA a MEDVĚDĚVA. Zkušební jádro o ϕ 150 mm s pracovním povrchem 176 cm 2 a tloušťky 50 mm je zaléváno ve speciální kokile kovem. Vzniklý plyn je odváděn trubicí do vodního měřiče objemu. Důležitou podmínkou je, aby kov zaplnil formu a překryl jádro co nejrychleji, a tak zamezil odchodu plynů a par do dutiny formy. 33

34 Rovněž jsou doporučovány přímé metody stanovení plynotvornosti, kde zkoumaná směs vystupuje jako pravé jádro, nebo směs je zapěchována do kovové nebo keramické nepropustné trubice a styk s kovem má jen čelo jádra Zdroje plynů a par při ohřevu slévárenské formy [1], [2] Při dosažení určité teploty prodělávají některé složky formovacích a jádrových směsí významné fyzikálně chemické přeměny doprovázené uvolňováním plynných produktů. Ze složek formovací směsi vykazuje značnou plynatost voda a další kapalná rozpouštědla, některé minerály, pojiva, organické přísady a další látky. Komplex fyzikálně chemických dějů, podílejících se na vývinu plynů a par při ohřevu formovacích a jádrových směsí, tvoří : 1) vypařování vody a jiných kapalných látek (rozpouštědel). 2) spalování organických látek. 3) destilace různých tuhých i kapalných organických látek. 4) tepelný rozklad minerálů příměsí, které jsou součásti směsi. 5)disociace uvolňujících se plynů a průběh některých chemických reakcí za účasti plynné fáze. 6) rozpínání vzduchu obsaženého v pórech formovací směsi. Uvedené dílčí zdroje mají sice rozdílnou fyzikálně chemickou podstatu a také teplotu, při níž se začínají uplatňovat, avšak v důsledku nerovnoměrného rozdělení teplot ve slévárenské formě při ohřevu probíhají prakticky současně. Základní charakteristiky: Vypařování vody : nejvíce se projevuje u směsí obsahující vodu jako rozpouštědlo pojiv (např. jílů ve směsích pro syrové formy). Kromě vody mohou být ve směsích obsaženy i jiná rozpouštědla. Voda obsažena ve formovacích a jádrových směsích je s minerálními i organickými složkami směsi vázána chemicky, fyzikálně chemicky a mechanicky. Chemicky vázaná voda je součástí krystalové mřížky minerálních složek směsi. Lze ji uvolnit při poměrně vysokých teplotách, charakteristických pro daný materiál. 34

35 Fyzikálně chemicky vázaná voda je voda, tvořící disperzní prostředí koloidních soustav pojiv. K jejímu uvolnění je třeba přivést značné množství tepelné energie, tím větší, čím je voda vázána na částici. Mechanicky vázána voda je ve směsích držena v důsledku snášivosti v kapilárách mezi jednotlivými částicemi směsi. Také její odpařování se odlišuje od procesu vypařování vody volné, která se ve směsích také vyskytuje. Spalování organických látek: jsou obsaženy ve směsích, může probíhat za přítomnosti oxidovadel, kterými jsou kyslík ze vzduchu uzavřeného v pórech formy nebo přicházejícího kapilárami formy, dále vodní pára a oxid uhličitý. Významné jsou zejména reakce oxidace tuhého uhlíku. C( s) + O2 ( g) CO 2 (g) (2.13) 2C(s) + O 2 (g) 2CO(g) (2.14) Dokonalé spalování uhlíků na CO 2 je možné jedině při zajištění dostatečného přístupu vzduchu do reakční zóny. Oxidace tuhého uhlíku probíhá také reakcemi C(s) + CO 2 (g) 2CO(g) (2.15) C(s) + H 2 O(g) CO(g) + H2 (g) (2.16) C(s) + 2H 2 O CO2 (g) + 2H 2 (g) (2.17) Destilace organických látek : nastává při ohřevu těchto složek bez přístupu vzduchu nebo jiného oxidovadla. Nejprve se při ní uvolňují těkavější frakce. Konečným produktem destilace je koka. Tento děj se významně uplatňuje při ohřevu směsí obsahující větší množství organických pojiv (umělá pryskyřice). Tepelný rozklad sloučenin : probíhá při ohřevu některých příměsí minerálů obsažených ve směsi, přičemž se uvolňuje plynná složka. Disociace plynů : v důsledku některého z popsaných dějů, může nastat při vysokých teplotách. Nejčastěji se takto rozkládají uhlovodíky. Dochází při tom ke zvětšování objemu plynné fáze a k usazování uhlíku ve formě sazí v pórech směsi. 35

36 Příkladem může být tato reakce: CH 4 (g) C(s) + 2H2 (g) (2.18) Rozpínání vzduchu : objem vzduchu a dalších plynů uzavřených v pórech mezi částicemi formovací směsi činí, v závislosti na pórovitosti směsi, asi % objemu směsi. Při ohřevu formy se objem tohoto plynu bude zvětšovat. Ve většině případů se však toto zvětšení objemu při ohřevu na C bude podílet pouze malou částí na celkovém objemu uvolňujících se plynů a to jen velmi krátkou dobu (pouze několik sekund po zaplnění formy taveninou). Z uvedeného přehledu je zřejmé, že vznikající plyny tvoří směs, v níž převládají redukční složky (CO, H 2 ). V závislosti na množství a rychlosti vývinu plynů a odporu, který klade forma nebo jádro jejich unikání z místa vzniku do volné atmosféry, se projevují určitým tlakem. Při vysokých hodnotách tlaku v blízkosti líce formy může dojít k proniknutí plynů do taveniny v dutině formy a tím ke vzniku plynových bublin v odlitku. Uvolňování plynů a par ve formách a jádrech začíná na rozhraní kov forma a postupně se oblast vývinu plynů posouvá do hloubky formy tak, jak postupuje ohřev formy na teplotu rozkladu jednotlivých složek. Znázornění průběhu uvolňování plynů ve stěně formy při určitém rozdělení teplot v čase po odlití je znázorněno na obr Obr Průběh uvolňování plynů ve stěně slévárenské formy [1] 36

37 Z obrázku je patrné, že po odlití se ve stěně formy vytváří několik vrstev (I až V) s různým stupněm vývinu plynů. Z vrstvy I se za daných podmínek ohřevu a dosažené teploty uvolnily veškeré plyny a páry, směs v této vrstvě je vyžíhaná. Tloušťka každé vrstvy v daném okamžiku je určena rozdělením teplot ve formě (teplotním polem formy) a hodnotami teplot rozkladu jednotlivých složek směsi. Hranice mezi vrstvami nejsou ostré, zejména v těch případech, kdy se složky rozkládají v intervalu teplot. Důsledkem vzniku takovýchto vrstev je ztráta počátečních stejnorodých vlastností slévárenské formy, především mechanických a tepelně fyzikálních. Rychlost posunu zaplyňování látek do nitra formy závisí na kritické teplotě rozkladu, tepelné vodivosti směsi a na teplotě rozhraní kov forma. Se zvyšující se teplotou rozkladu látek se snižuje rychlost posunu zón. V tabulce 2-1 jsou pro představu uvedeny kritické hodnoty teplot rozkladu vybraných látek Plynotvorný podíl ve směsi [hmot. %] Kritické teploty rozkladu [ C] Voda 100 Jílové pojivo 200 až 400 Vápenec (CaCO3) 860 až 910 Sulfirové pojivo 220 až 260 MF pryskyřice 280 až 320 FF pryskyřice 650 až 750 Poznámka : hodnoty teplot jsou uvedeny pro tlak [Pa] Plynotvornost reálné formy Plynatost, resp. celkové množství uvolněných plynů lze orientačně vypočítat. Výpočet plynotvornosti reálné formy vychází z následujících předpokladů, že tento proces nezávisí na tlaku plynů a probíhá v rovnovážných podmínkách při určité teplotě, počátek uvolněných plynů je shodný s okamžikem styku formy s kovem a vlastnosti formovací směsi se nemění s časem. Celkové množství uvolněných plynů formou (V pl ) je dáno plynotvorností směsi (M) a objemem formy (V f ), který byl ohřát nad kritickou teplotu T M, při které se uvolňuje daný plyn. 37

38 V pl = M V f (2.19) přičemž V f = S f H f (2.20) kde : S f povrch styku formy s kovem H f hloubka formy prohřáté do teploty T M V pl = M S f H f (2.21) dále víme, že : H f = m f t (2.22) kde: m f součinitel, stanovující rychlost průběhu teploty hloubky formy t doba od začátku lití Objem uvolněných plynů stanovíme z rovnic (2.18) a (2.19) : V pl = S f M m f t = A t (2.23) A = M m f S f (2.24) kde : A absolutní součinitel vylučování plynů, vztažený k celkovému povrchu styku forma kov a poměrný součinitel vylučování plynů, vztažený na jednotku povrchu styku a = m f M = A / S f (2.25) Z obr. 2-8 je schématické znázornění závislosti uvolněných plynů na čase a rychlosti vývinu plynů na čase. Obr Závislost množství vyloučených plynů a jejich okamžitá rychlost na čase [2] 38

39 Rychlost (v) můžeme stanovit jako derivaci množství podle doby z rovnice (2.23) dv pl A a S f v = = = (2.26) dt 2 t 2 t Na počátku styku formy s kovem je rychlost vývinu nekonečně velká, což vede ke zvýšení tlaku plynu a za určitých podmínek i k odvařování formy Popis vzniku a pronikání plynu z formy do taveniny Při nevhodných energetických a tlakových podmínkách na rozhraní kov forma mohou plyny často pronikat do taveniny a naopak, proto je ve slévárenské praxi nutné, aby se plyny z formy neuvolňovaly do dutiny formy (taveniny). plyny z formy do taveniny mohou vniknout dle této rovnice: p = p + p + p 2.27) F m p kde: p F tlak plynu ve formě p m metalostatický tlak p p odpor kovu proti vniknutí plynové bubliny do taveniny p pf přetlak plynů nad hladinou roztaveného kovu pf Největší rychlost vývinu plynů nastává v okamžiku styku roztaveného kovu s formou, popř. s jádrem, při počátku lití, kdy je malá tloušťka ztuhlého kovu a malý metalostatický tlak. Na obr. 2-9 je uveden časový vývoj plynové bubliny uvolněné z formovací směsi do tekutého kovu. V prvním okamžiku po odlití se začnou uvolněné plyny shromažďovat na hranici formy a taveniny, ale zatím nepronikají do taveniny. V důsledku toho, že tlak ve formě neustále vzrůstá, expanze plynů do taveniny je velice výrazná, čímž tlak plynů formy začne překonávat odpor kovu proti vniknutí plynové bubliny do taveniny. Dalším zvýšením tlaku se bublina, která se dosud stále držela při hranici formy a taveniny, vlivem povrchových napětí, zaškrtí a uvolní se do taveniny. Uvolnění nastane při překonání metalostatického tlaku. tento mechanismus se opakuje do doby, než skončí chemické změny ve formě a tím se již nezvyšuje tlak na taveninu. 39

40 Obr Kinetika vzniku plynové bubliny [2] Plynatost směsí není jen jedna dílčí vlastnost směsi, ale je nutné ji posoudit s ostatními podmínkami, např. prodyšnost směsí, styčnou plochu jádra s kovem, průřezem známek, metalostatickým tlakem atd. Přetlak plynů je funkční závislostí těchto veličin (obsah a druh spalitelných látek, styčná plocha kovu s jádrem, objem jádra, průřez známek, odvzdušnění, prodyšnost směsi). Aby plyny pronikaly kovem, musí být jejich tlak v daném okamžiku větší, než je tlak kovu. Vývoj plynů v jádře je nejintenzivnější v prvních okamžicích po odlití formy a proto je vznik vad způsobených plynem v prvních sekundách nejpravděpodobnější. Tlak plynů v jádře také závisí na geometrických charakteristikách jádra, např. na velikosti plochy styku mezi jádrem a kovem, dále na délce dráhy filtrace plynu v jádru (zkrátí-li se délky dráhy plynů, tak nám silně poklesne tlak plynů). Pokud sledujeme takovéto poměry při vzniku vad odlitků v důsledku vývinu plynů v závislosti na čase, lze konstatovat, že velký význam sehrává tlak taveniny působící proti přetlaku plynů jádra nebo formy. V prvních okamžicích po odlití vzniká velký vývin plynů, nejen z formovací směsi, ale také při použití pravého jádra. Pravé jádro se obzvláště velice rychle prohřívá vlivem tepla obklopenou taveninou. Jelikož dutina formy je v prvních okamžicích pomalu zaplňována taveninou, vykazuje malý tlak proti působícímu tlaku uvolňovaných formou. Teprve po určité době, dojde k vyrovnání tlaků a pak začne ustávat uvolňování plynů z formy a tlak kovu (taveniny) začne převládat. V tomto okamžiku již není nebezpečí vzniku plynových bublin v odlitku. 40

41 2.4 Metody sledování plynatost [8] Z důvodu závažnosti neblahého vlivu uvolněných plynů z formy při odlévání na kvalitu odlitků, byly vypracovány metody sledování plynatosti. Metody sledování plynatosti můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin a to : A) přímé provozní B) přímé laboratorní Pro posouzení jakosti formovací nebo jádrové směsi nestačí znát jen velikost objemu uvolněných plynů, ale také čas nutný k jejich vývinu. Teprve posouzení obou veličin plynotvornosti a času je možno posoudit kvalitu směsi. Je obecně známo, že plyny jsou v odlitku nebezpečné pouze do doby, než se vytvoří dostatečně pevná licí kůra odlitku, těsně po odlití která již nebrání vniknutí plynů z formy do taveniny a tím ke vzniku vadného odlitku. Identifikaci množství plynu v závislosti na čase lze provést také dvěma způsoby : 1) registrací změny tlaku v závislosti na čase. 2) registrací změny objemu v závislosti na čase. Existuje celá řada metod na zjišťování plynatosti směsí, doposud nedošlo ke sjednocení podmínek sledování plynatosti (liší se např. použitou teplotou ohřevu), takže nelze srovnávat hodnoty plynatosti získaných různými zkouškami. Proto je možno porovnávat pouze hodnoty získané stejnou metodou. U některých metod nesledujeme celý průběh vývinu plynů, ale zaměřujeme se pouze na maximální hodnoty (tlaku nebo objemu uvolněných plynů) v příslušném časovém okamžiku. Obecně lze při sledování plynotvornosti aplikovat tyto možnosti : a) zahřívání malých vzorků na lodičce v laboratorní trubkové peci. Měření vzniklých plynů s vyloučením kondenzátu. b) měřené plynů vzniklých ze zalitých pokusných jader, a to s vyloučením kondenzátu. c) měření tlaku plynů a par, vzniklých v pokusném jádru zalitém nebo ponořeném do roztaveného kovu. d) měření proudových rychlostí (a tedy i množství plynů a par) v jádru, zalitém nebo ponořeném do roztaveného kovu. 41

42 2.4.1 Metody přímé provozní Přímé metody jsou založeny buď na založení formy a nebo jádra zkoumaného odlitku, popř. speciálně upraveného vzorku jader nebo forem. Směs je napěchována a její ohřev je proveden přímo tekutým kovem. Velikost objemu vzniklých plynů je sledována tlakoměry nebo plynoměry různých principů a konstrukcí. S poklesem teploty taveniny klesá též intenzita prohřívání směsi. Průběh tlaku se blíží skutečnému průběhu vývinu plynů. množství plynů se tedy obvykle měří v závislosti na tlaku daného plynu. Rychlost nebo objem uvolňujících se plynů je závislý na čase. Pro jakostní charakteristiky se používají součinitelé charakterizující mechanismus plynotvornosti ve formě. Směsi se kolísavě ohřívají vlivem nedokonalého kontaktu s tekutým kovem, což nám umožňuje experimentálně získat vlastnosti reálných odlitků a forem. Existuje několik druhů přímých metod sledování plynatosti směsí, které se od sebe odlišují druhem formy, rozměry vzorků, zaformování vzorku atd. Tato metoda umožňuje získat lepší představu o chování formy nebo jádra při odlévání a tuhnutí kovu, než u metody nepřímé. 1. Metoda podle Berga : vzorek je kruhovitého průřezu o ϕ 150 mm s pracovním povrchem 176 cm 2. Tloušťka vzorku je cca do 50 mm. Vzorek je vložen do speciálního prstence a zalévá se taveninou až do výše 80 mm. Měří se objem a teplota uvolněných plynů. 2. Metoda podle Spasského : směs je zaformována v keramickém prstenci. Odvod plynů z jeho středu je pomocí křemenné trubice, která ústí do speciální, hermeticky uzavřené nádoby o vnitřním objemu cm 3 a je opatřena speciálním tlakoměrem. Tlakoměr je vlastně membrána z tenkého plechu. Na ni jsou připojeny tenzometry snímající její průhyb. Objem uvolněných plynů se vypočítá z tlaku a vnitřního objemu nádoby. 3. Metoda podle Jašina : směs je zaformována do speciálního tvaru. Takto připravený vzorek je vložen do kovové formy tak, že roztavený kov přitéká na spodní část vzorku. Po zalití kovem se prstenec uvolní a směs se rozpadá. Podle míry rozpadnutí lze usuzovat míru plynotvornosti. Výsledný objem se stanovuje z empirických vztahů. 4. Ponorná zkouška : jde o metodu, při které se měří tlak plynu v jádře v závislosti na čase. Výsledná závislost vykazuje dvě maximální hodnoty. První z těchto hodnot 42

43 vznikne na počátku, kdy se k vytváření plynů z jádrové směsi přidá ještě objem plynů obsažený v pórech formy a prudkým ohřevem zvětšují svůj objem. Vznikající plyny jsou částečně odváděny trubičkou. Zbytek proniká roztaveným kovem. Pára a kondenzující plyny se srážejí v kondenzační zóně, která se v průběhu prohřívání jádra posouvá směrem k jeho středu. Ke druhé maximální hodnotě dojde až se kondenzační zóna přemístí do středu vzorku k trubičce, kde se kondenzát vypaří. Na tuto zkoušku je formovací směs připravuje podle předem stanovených postupů a směs je slisována s trubičkou přesným tlakem. Pro samotné provedení zkoušky je zhotoveno zvláštní zařízení, skládající se ze vzduchového válce, ramene a ukazatele přesné polohy. Přívod tlakového vzduchu je škrcen clonou zaručující konstantní rychlost ponořování do hloubky 200 mm. Vzorek je ponořován do taveniny umístěné v kelímku o obsahu 0,0078 m 3. Ohřev je prováděn indukčně. 5. Metoda podle Piščeva : plyny jsou odváděny ze vzorku umístěného ve středu kovové formy pomocí trubky, která je napojena na měřící přístroj tlaku a objemu. Hodnoty jsou odečítány v předem určených časových intervalech. Vzorek je možno zalévat dvěma způsoby. První způsob je vhodný pro směsi, které budou při výrobě odlitku zalité pouze z jedné strany, proto je také vzorek zalit jen z části. Druhý způsob je vhodný pro jádra s velkým tepelným namáháním. V tomto případě je vzorek zaléván celý Metody nepřímé laboratorní Metody nepřímé jsou založeny na sledování plynatosti malého množství formovací nebo jádrové směsi, která je zahřívána v peci. K tomuto účelu například využíváme např. Marsovou pec, do které pomocí porcelánové lodičky vkládáme navážku malého množství sledované směsi. Zde směs zahříváme a vzniklé plyny proudí chladičem do různě sestaveného eudiometru (skleněná kalibrovaná trubice pro měření objemu plynů). Při měření nastávala určitá chyba, která byla způsobena tím, že se z měření vyloučily kondenzáty, které v kritickém okamžiku působí v jádru jako plyny. Výsledky těchto metod byly relativní, neboť nebylo jasné, zda vyjadřují skutečné poměry ve formě nebo jádru. V dnešní době, už ale došlo ke zpřesnění nepřímých metod zjišťování plynatosti. Byla také zkonstruována a jsou profesně vyráběna zařízení k měření plynatosti. 43

44 Postupně byly vyvinuty metody při kterých zahříváme rozmělněnou navážku zkoumané směsi v peci na zvolenou teplotu (600 až 1300 C). Pro měření se používá tzv. vlastní atmosféry (měřící aparatura je vyplněna plyny, které vznikají při měření), popř. je možné do měřícího zařízení přivést netečný plyn. Různé druhy atmosfér se používají proto, abychom zaručili stálost případných vlivů a vyloučili možnost hoření za přítomnosti vzdušného kyslíku nebo atmosféry CO 2. Jedna z používaných metod je např. podle Ornsta, kdy se vzorek vkládá pomocí speciálně upravené lodičky do trubkové elektrické pece vyhřáté na 1000 C. Při tom se měří tlak pomocí dvou zvláštně sestavených manometrů. Po každém měření se zařízení profukuje CO 2. Další metodou je podle Strohleina, kdy se vzorek vkládá do Marsovy pece vyhřáté na teplotu 1250 C. Měří se čas a množství vyvinutého plynu. Množství plynu se odečítá na kalibrované byretě, z níž je kapalina plyny vytlačována do vyrovnávací nádržky. Odečítaný objem nesouhlasí se skutečným uvolněným objemem, protože tlak není konstantní, ale lineárně narůstá s poklesem hladiny. Maximální hodnota plynotvornosti je odečítána při maximální komprimaci. Navážka směsi činí cca 2 g, je tedy nutné vyhodnocení přepočítat na 1 g směsi. Můžeme tedy obecně konstatovat, že nepřímé metody používají navážku o hmotnosti 1 g až 5 g směsi, která se umístí do porcelánové lodičky a směs se nepěchuje, naopak povrch je nakypřený. Pouze ve zvláštních případech se používají speciální vzorky, které jsou pěchovány. Ohřev je prováděn v elektrické peci při teplotách 800 C až 1300 C. pomocí tepelného záření. Výkon tepelného zdroje je stálý během celého pokusu. Metody měření množství uvolněného plynu jsou závislé na tlaku nebo na objemu. U této metody lze určit plynotvornost buď měřením tlaku vznikajících plynů v závislosti na čase. Objem uvolněných plynů není časově závislý. Pro jakostní charakteristiky se používá fyzikálně definovaných podmínek prohřívání směsi v licí formě a kinetiky plynotvornosti. Tak jako metody přímé, tak i metody nepřímé se vyznačují následujícími nedostatky. Měření nepostihuje vliv relativní tloušťky stěny odlitku ani vliv tloušťky stěny jádra oblitého kovem. Vzorek je prohříván při konstantní teplotě, přičemž v reálných podmínkách je teplota prohřátí jádra různá. Žádné z těchto měření nemůže ukázat celkový akční tlak plynů z jádra v přímé souvislosti se stavem tuhnutí. 44

45 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE Experimentální část mé diplomové práce byla zaměřena na sledování plynatosti sádry. Měřící zařízení, na kterém bylo dané měření provedeno, bylo navrženo a sestrojeno na pracovišti TU v Liberci na katedře strojírenské technologie. 3.1 Charakteristika měřícího zařízení Principem měření plynatosti je snímání tlaku uvolňujících se plynů spalováním vzorku určité formovací směsi v elektrické peci. Metoda vychází z metodiky měření plynatosti na přístroji PGD (od firmy+gf+). V uzavřeném prostoru pece, který je spojen pouze s měřící soustavou, se ohřívá vzorek dané formovací směsi sálavým teplem. Na měřícím zařízení sledujeme tlak uvolňujících se plynů v daném časovém okamžiku. Funkce zařízení byla již ověřena v několika diplomových pracích. Měřící zařízení používané na našem pracovišti prošlo již několikaletým vývojem a stále se pracuje na jeho zdokonalování. Schéma měřícího zařízení je uvedeno na obr Měřící zařízení pracuje s následovně : Vyrobený vzorek o hmotnosti 1,00±0,01 g, který je uložen v molybdenové lodičce, je vložen do zatavené křemenné trubice, která je umístěna v elektrické odporové trubkové peci, kde dochází k velice rychlému ohřevu již v prvních okamžicích. 1- elektrická odporová trubková pec, 2- křemenná zatavená trubice, 3- lodička z molybdenového plechu, 4- regulátor pece, 5- uzavírací hlavice pece s chlazením, 6- voda Obr Schéma měřícího zařízení plynatosti 45

46 Než-li začneme měřící zařízení používat pro měření plynatosti formovací směsi, musíme provést určité náležitosti, abychom zajistil správnost a přesnost měření. A to jsou např. kontrola činnosti a nastavení teplotního a tlakového čidla, kontrola těsnosti a spojení propojovacích hadic, spuštění cirkulace chladícího okruhu uzavírací hlavice elektrické odporové trubkové pece, správné nastavení datových vstupů, jednotek a rozsahů na program DaqView. Po skončení měření a vypnutí všech elektrických zařízení je důležité, aby byl ještě stále spuštěn chladící okruh uzavírací hlavice pece. Můžeme ho vypnout až po vychladnutí pece. Provádí se to z důvodu bezpečnosti a větší životnosti zařízení (uzavírací hlavice). Zmodernizované měřící zařízení plynatosti formovacích směsí používané v naší laboratoři je zobrazeno na obr regulátor pece, 2- Marsova pec, 3- tlakové čidlo, 4- sběrnice dat, 5- zdroj napětí, 6- tlaková nádoba s plynem (N 2 ) Obr Zmodernizované měřící zařízení plynatosti formovacích směsí K zaznamenávání měřených dat se používá PC s programem DqaView obr

47 Obr PC s programem DqaView Kalibrace zařízení Před tím, než začneme provádět vlastní měření, je důležité provést kalibraci měřícího zařízení. Kalibrace měřícího zařízení byla provedena na základě tepelného rozkladu čistého uhličitanu vápenatého (CaCO 3 ), který se rozkládá v rozmezí teplot 850 C 894 C podle rovnice : CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) (3.1) Jak je z rovnice patrné, tak termickým rozkladem se uhličitan vápenatý rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý. V laboratoři strojírenské metalurgie byl rozklad CaCO 3 proveden při teplotě 1000 C. CaCO 3 patří mezi alkalické zeminy a v přírodě se nachází ve dvou formách : ve formě vápence a aragonitu. Pro uplatnění této kalibrační látky bylo nutno určit objem uvolněných plynů z rozkládajícího se zkušebního vzorku čistého CaCO 3. Objem uvolněných plynů čistého CaCO 3 byl stanoven z rovnice: ( Vm m) V = (3.2) ( M ) CaCO 3 Kde : V m molový objem plynu ( 22,4 m 3 /kmol) m hmotnost CaCO 3 M CaCO 3 - molární hmotnost CaCO 3 (100 g/mol) 47

48 Na obr. 3-4 je uvedena kalibrační křivka daného měřícího zařízení zjištěná pomocí tepelného rozkladu vápence (CaCO 3 ). Kalibrační křivka 3 2 DC [V] p [Pa] Obr Kalibrační křivka tepelného rozkladu CaCO 3 Hodnoty zjištěné pomocí tepelného rozkladu CaCO 3 jsou uvedené v tabulce 3.1. Tabulka 3.1. Zjištěné kalibrační konstanty pro dané tlaky pomocí CaCO 3 Hmotnost Teoretický Průměrné maximální hodnoty Tlak uvolněných Přepočetní CaCO3 [g] objem [cm 3 ] změřených napětí [V] plynů [Pa] konstanty [Pa V -1 ] 0,05 11,2 0, , , ,1 22,4 0, ,1228 0, ,15 33,6 0, , , Průměrná konstanta 0, Průměrná kalibrační konstanta, která nám vyšla z měření se dále použila ve výpočtech pro zjištění plynatosti. Po kalibraci zařízení můžeme již provést vlastní měření plynatosti směsi. Změřený výsledný objem uvolněných plynů při zkoušce plynatosti směsí pomocí měřícího zařízení lze vypočítat na základě izotermických podmínek, kde teplota (T) je konstantní, ze vztahu : p v = konst. Pro podmínky měřícího zařízení je možné vztah upravit do tvaru : V p A = p V 0 (3.3) 48

49 kde : V změna objemu uvolněných plynů ze směsi p změna tlaku uvolněných plynů ze směsi V 0 objem měřící soustavy (V 0 = 1995 cm 3 ) p A atmosférický tlak (97000 Pa) 3.2 Popis metodiky přípravy vzorků pro sledování plynatosti Ke sledování plynatosti byly použity tři druhy sádry (Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá). Sledování plynatosti vzorků sádry bylo provedeno na základě experimentů, které můžeme rozdělit do následujících skupin: 1) Sledování plynatosti sádry v práškové formě při teplotách 800 C a 1000 C o váze 1g. 2) Sledování plynatosti sádry o koncentraci 50 % vody a 50 % sádry při teplotách 800 C a 1000 C o váze 1 g. 3) Sledování plynatosti sádry o koncentraci 25 % vody a 75 % sádry při teplotách 800 C a 1000 C o váze 1 g. Vzorky sledované sádry byly naváženy na váze LECO EB 25 viz obr. 3-5., která váží s přesností na 0,001 g. Navážka o váze 1 g byla nasypána (vložena) na lodičku z molybdenového plechu obr. 3-6., která je součástí měřícího zařízení. Elektrická odporová pec je předem předehřátá na teplotu, při které chceme dané měření provést, poté se zasune lodička z molybdenového plechu s navážkou, která je připevněná na křemenné tyčince, zde začíná počátek měření plynatosti. Obr Váha LECO EB 25 49

50 Obr Lodička z molybdenového plechu Vlastní příprava vzorků se prováděla nasypáním odměřeného množství sádry do vody. Postupným mícháním vznikla sádrová břečka, která byla do připravené formičky z plastu o ϕ 5 x 50 mm, kde břečka ztuhla, čímž se vytvořil váleček ϕ 5 x 50mm. Vzorky z formičky přesně zapadaly do lodičky z molybdenového plechu. Poté, co vzorky ve formičce ztuhly, byla formička rozebrána a vzorky vyjmuty. Vzorky u koncentrace 25 % voda a 75 % sádra byly vyrobeny tak, že po rozmíchání směsi byl vytvořen plát, který se nechal na vzduchu ztuhnout. Vzorky z vytvořeného plátu se vyrobily pomocí nože, kdy se plát rozřezal na proužky a pak se ručně vytvořily hranolky tak, aby se vzorek vešel do lodičky z molybdenového plechu. Dále se pak vytvořené vzorky nechaly vyschnout na vzduchu. Po jejich vysušení mohlo probíhat dané měření plynatosti sádrových vzorků. 3.3 Průběh sledování plynatosti vybraných směsí V kapitole 3.2. je stručně popsána příprava vzorků do okamžiku, než je vložen do elektrické odporové pece měřícího zařízení. V této kapitole se zaměříme na charakteristiku sádrových vzorků a na sledování průběhu vývinu plynů v závislosti na čase. V tabulce 3.2. je uvedena charakteristika a výrobce sádry, která byla v této diplomové práci naměřena. Jak je z následující tabulky zřejmé, tak pro sledování plynatosti byly použity 3 druhy sádry. Sledování plynatosti sádry probíhalo při teplotách 800 C a 1000 C. Celkem bylo provedeno 48 úspěšných měření plynatosti sádrových vzorků. 50

51 Tabulka 3.2. Přehled druhů sádry pro měření plynatosti Číslo sádry Druh sádry Výrobce sádry Datum výroby Kittfort bílá Kittfort, s r.o., Neratovice, ČR HET BPB Formula Gmbh, Walkenried, bílá SRN HET šedá Gypstrend, s r.o., Kobeřice, ČR Doba tuhnutí Použití [min] Univerzální sádra 8-12 Univerzální sádra Univerzální Není sádra uvedeno 3.4 Vyhodnocení záznamů plynatosti Z úspěšně naměřených hodnot (48 provedených experimentů) plynatosti sádrových vzorků, bylo provedeno vyhodnocení a jejich posouzení. Každý vyrobený vzorek, ze skupin (1, 2, 3), plynatosti byl proměřen osmkrát. Z takto získaných naměřených hodnot plynatosti byl vypočítaný průměr pro každou koncentraci. V této části práce jsou uvedeny tyto průměrné hodnoty časových závislostí. Na obr jsou uvedeny grafické závislosti objemu plynů (V) v závislosti na čase(t). Na základě experimentálních zkušeností se ukázalo, že je vhodné volit časový úsek uvolňování plynů od 0 do 120 [s]. Pro daný časový úsek bylo provedeno měření u všech koncentrací sádry. V tabulce 3.3. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti pro určité časové úseky pro sádru v práškové formě Tabulka 3.3. Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase při teplotě 800 C. Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

52 14 6, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 800 C. Průměrná hodnota plynatosti V [cm3/g] t [s] Sádra Kttfort bílá sádra HET bílá Sádra HET šedá Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 800 C V tabulce 3.4. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti pro určité časové úseky pro sádru o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C. Tabulka 3.4. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C. Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , ,

53 3 2, , , , , , , , , , ,216 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,4633 4, , , , , , , , , , , , , , , ,81333 Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C. Průměrna hodnota plynatosti 6 5 V [cm3/g] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá t [s] Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C V tabulce 3.5. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra pro určité časové úseky při teplotě 800 C. 53

54 Tabulka 3.5. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 800 C. Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 800 C. 54

55 Průměrná hodnota plynatosti 6 5 V [cm3/g] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá t [s] Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 800 C V tabulce 3.6. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 1000 C. Tabulka 3.6. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v práškové formě v závislosti na čase při teplotě 1000 C. Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

56 20 5, , , , , , , , , , , , , , , , , , Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 1000 C. Průměrná hodnota plynatosti V [cm3/g] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá t [s] Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 1000 C V tabulce 3.7. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C. Tabulka 3.7. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentrace 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C. Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

57 11 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C. Průměrná hodnota plynatosti V [cm3/g] t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C V tabulce 3.8. jsou uvedeny průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 75 % voda a 25 % sádra při teplotě 1000 C. Tabulka 3.8. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentrace 75 % voda a 25 % sádra při teplotě 1000 C. 57

58 Hodnoty plynatosti [cm 3 g -1 ] druh měřené sádry t[s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Na obr jsou uvedeny časové závislosti průměrných hodnot plynatosti sádry o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 1000 C Průměrná hodnota plynatosti V [cm3/g] t [s] Sádra Kittfort bílá Sádra HET bílá Sádra HET šedá Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 75 % voda a 25 % sádra při teplotě 1000 C 58

59 4. DISKUSE VÝSLEDKŮ Výsledky, které jsou obsaženy v této diplomové práci přinášejí dílčí informace o plynatosti a jejím měření u různých koncentracích sádrových vzorků. Naměřené hodnoty plynatosti přinášejí provozní jistoty potřebné kvalitativní a kvantitativní rozhodování a uvědomělou volbou směsi, při každé volbě forem a jader. Samotná plynatost je důležitou vlastností a výrazně ovlivňuje kvalitu odlitků. Ve slévárenské praxi mohou sádrové formy obsahovat množství dalších látek např. mastek, křemičitý písek, atd., které se při zahřívání rozkládají, čímž přispívají k tvorbě uvolněných plynů. Vzniká dehydratace sádrové formy, tepelný rozklad vody, tepelný rozklad uvolněných plynů, suchá destilace, atd. Pokud se týká mechanismus uvolňování plynů, je možné konstatovat, že nejvyšší rychlost vývinu uvolněných plynů nastává hned na počátku měření, a tak i na začátku odlévání. Proto je v tomto případě velice důležité, aby tlak uvolněných plynů byl menší, než tlak působící taveniny. Metody sledování plynatosti, které byly v této práci uvedeny, jsou pouze orientační. Posuzují pouze, jestli daný vzorek o dané koncentraci, uvolňuje více nebo méně plynů při stejných podmínkách. Do dnes zatím nebyla vyvinuta taková metoda měření plynatosti, která by posuzovala plynatost s ohledem na velikost a tvar slévárenské formy. Do určité míry se z části tomuto požadavku přibližují metody přímé, které využívají teploty roztaveného kovu. Metody nepřímé pracují pouze s malým vzorkem směsi bez přítomnosti taveniny, ale dostávají přednost před metodami přímými, což je způsobeno menšími nároky na zařízení a přípravu vzorků. Nepřímým metodám se začala věnovat velká pozornost, a tak se začala konstruovat různá měřící zařízení plynatosti formovacích směsí. Vzorky směsi jsou tepelně namáhány pomocí elektrické odporové pece, do které jsou vzorky vloženy. Na našem pracovišti (TU v Liberci, KSP) bylo zkonstruováno podobné zařízení na měření plynatosti formovacích a jádrových směsí, které nám zobrazuje hodnoty objemů uvolněných plynů v závislosti na časovém průběhu. Vzorky, které jsme měřily byly z rychlotuhnoucí sádry, které se zejména využívají ve stavebnictví, modelářství, atd. Při výrobě sádrových vzorků vykazovala sádra HET šedá nejkratší dobu tuhnutí, kdy po smíchání sádry s vodou již po pár 59

60 minutách začala tuhnout. Sádra HET bílá a Kittfort vykazovaly přibližně stejnou dobu tuhnutí. Více o charakteristice jednotlivých druhů sádry v příloze č. 1. Zjištěné hodnoty plynatosti sádry Kittfort v práškové formě ve 120 [s] po zahřátí při teplotě 800 C 6,81 [cm 3 g -1 ]a při 1000 C 12,1 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET bílá v práškové formě ve 120 [s] při teplotě 800 C 5,84 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 10,83 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET šedá v práškové formě ve 120 [s] při teplotě 800 C 8,49 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 19,61 [cm 3 g -1 ]. Zjištěné hodnoty plynatosti sádry Kittfort o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra ve 120 [s] po zahřátí při teplotě 800 C 3,17 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 5,37 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET bílá o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra ve 120 [s] při teplotě 800 C 4,56 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 6,05 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET šedá o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra ve 120 [s] při teplotě 800 C 4,81 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 8,82 [cm 3 g -1 ]. Zjištěné hodnoty plynatosti sádry Kittfort o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra ve 120 [s] po zahřátí při teplotě 800 C 4,96 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 7,88 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET bílá o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra ve 120 [s] při teplotě 800 C 5,34 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 9,29 [cm 3 g -1 ]. Hodnoty plynatosti sádry HET šedá o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra ve 120 [s] při teplotě 800 C 5,24 [cm 3 g -1 ] a při 1000 C 18,06 [cm 3 g -1 ]. Z naměřených hodnot je jasné, že nejvyšší plynatost ze zde uvedených sádrových vzorků vykazuje sádra HET šedá, ať už se jedná o teplotu měření 800 C nebo 1000 C. Na druhou stranu, nejnižší hodnoty plynatosti byly naměřeny u sádry Kittfort. Dále můžeme z měření poznat, že čím je vyšší koncentrace vody v sádře, tím menší plynatost vzorky vykazují. Proto usuzuji, že nevhodnou sádrou pro výrobu slévárenských forem, je sádra HET šedá pro svou příliš vysokou plynatost při teplotách 800 C a 1000 C. Nejvhodnější ze zde uvedených a proměřených sáder je sádra Kittfort Při měření plynatosti na našem pracovišti jsem dodržoval tyto zásady z důvodu správného měření plynatost. 1) Před každým měřením vzorku sádry byla profouknuta křemenná trubička v peci (po odpojení snímače), aby tam nezůstal uvolněný plyn po předchozím měření. 2) Měření probíhalo v uzavřené místnosti, aby nedocházelo ke změně teploty a tlaku. 60

61 3) Snažil jsem se zasouvat vzorek v lodičce z molybdenového plechu a utěsnit ho stále stejným způsobem, aby nedocházelo k úniku plynu, což by výrazně ovlivnilo měření plynatosti. Vyšší či menší tlak od minulého měření vyvolá nepřesnost ve výpočtech. Tento tlak se při výpočtech uvolněných plynů samozřejmě odečítá. 4) Po vyjmutí lodičky z molybdenového plechu z pece byl vzorek odstraněn a lodička se nechala vychladnout tak, aby nedošlo po vložení nového vzorku k uvolnění plynu před samotným měřením. Výsledky této práce nesplnily pro mě očekávané předpoklady. Z hlediska svých znalostí jsem předpokládal, že hlavním prvkem, který bude přispívat k plynatosti je voda obsažená v sádrovém vzorku. Avšak výsledky ukázaly, že největší plynatost vykazovala sádra v práškové formě. To lze vysvětlit tím, že došlo během zahřívání práškové sádry k rozkladu síranu vápenatého CaSO 4 za vzniku CaO + SO 3. Tento děj by bylo dobré ověřit termodynamickým resp. fyzikálně-chemickým výpočtem. 61

62 5. ZÁVĚR Diplomová práce byla zpracována na téma: Sledování plynatosti vybraných jádrových a formovacích směsí. Práce je rozdělena do dvou hlavních částí (teoretická a experimentální). V teoretické části práce je proveden rozbor formovacích a jádrových směsí s ohledem na hlavní složky a na vlastnosti týkající se mechanismu plynatosti. Dále je v této části je zmíněna stručná charakteristika sádry, kterou jsem v této diplomové práci měřil. V experimentální části práce jsem se zaměřil na sledování plynatosti sádry o různých koncentracích s vodou. Výsledky z řešení této diplomové práce můžeme shrnout do těchto dílčích závěrů: 1) Navržené, zkonstruované a odzkoušené měřící zařízení plynatosti splňuje svoji funkci. Dobře zobrazuje časové průběhy plynatostí. Data jsou analyzována pomocí programu DaqView a navrženého postupu. Měření plynatosti jsme prováděli po dobu 120 [s], protože pak v praxi kov ve formě ztuhne a plynatost už nemá zásadní vliv na odlitek. 2) Navržená metodika měření plynatosti směsí je vhodná, dokazují nám to výsledky měření. 3) Výsledky měření nám potvrdily, že nejvyšší plynatost dosahuje při všech teplotách a koncentracích sádra HET šedá, konkrétně nejvyšší naměřená hodnota plynatosti při teplotě 1000 C v práškové formě ve 120 [s] 19,61 [cm 3 g -1 ]. 4) Nejnižší plynatost byla u sádry Kittfort, kde při koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C ve 120 [s] činila 3,17 [cm 3 g -1 ]. Pro další období doporučuji, aby se nejdříve sádrové válečky vysušily při teplotě 200 C a vyžíhaly při teplotě 450 C a teprve po těchto podmínkách se sledovala jejich plynatost. Výsledky měření plynatosti nebyly použity v praxi, jedná se tedy pouze o základní výzkum, proto není proveden ekonomický přínos této diplomové práce. 62

63 6. LITERATURA [1] KALOUSEK, J., KALOUSKOVÁ, G., HOLUBEC, Z. : Fyzikální chemie metalurgických procesů. [Skripta]. FS, VSŠT Liberec [2] JELÍNEK, P. : Slévárenské formovací směsi III. část, Vysoká škola Báňská v Ostravě, Ostrava [3] ZADĚRA, L., ŠMÍD, B., DOČKAL, R. : Slévárenství II, SNTL Praha [4] NOVÁ, I. : Teorie slévání I. [Skripta]. FS-KSP, TU v Liberci [5] RUSÍN, K. : Formovací hmoty. [Skripta]. Praha [6] PETRŽELA, Z., KUČERA, J., BŘEZINA, R. : Technologie slévání, tváření, svařování, Vysoká škola Báňská, Ostrava [7] SEDLÁČEK, J. : Nekovové materiály ve stomatologii, SZN Praha [8] PETRŽELA, L. : Slévárenské formovací látky. 1. vydání Praha [9] MACHUTA, J. : Posouzení plynatosti vybraných slévárenských směsí, Diplomová práce TU v Liberci

64 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr Stručný přehled vývoje pojiv formovacích směsí [4]...15 Obr Vliv obsahu bentonitu na hodnocení vaznosti formovací směsi [4]...17 Obr Stanovení optimální vlhkosti bentonitové směsi z průběhu její prodyšnosti [4] Obr Kuželová plocha při lisování formovací směsi [4] Obr využití sádry ve starém Řecku 26 Obr Sádra: CaSO 4. 2H 2 O..27 Obr Průběh uvolňování plynů ve stěně slévárenské formy 34 Obr Závislost množství vyloučených plynů a jejich okamžitá rychlost na čase 36 Obr Kinetika vzniku plynové bubliny...38 Obr Schéma měřícího zařízení plynatosti.. 43 Obr Zmodernizované měřící zařízení plynatosti formovacích směsí.44 Obr PC s programem DqaView..45 Obr Kalibrační křivka tepelného rozkladu CaCO 3.46 Obr Váha LECO EB Obr Lodička z molybdenového plechu na křemenné tyčince 48 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 800 C.50 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C.51 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 800 C...53 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě při teplotě 1000 C..54 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C..55 Obr Průměrné hodnoty plynatosti sádry o koncentraci 75 % voda a 25 % sádra při teplotě 1000 C

65 SEZNAM TABULEK Tabulka 2-1. Rozkladné teploty některých látek..35 Tabulka 3.1. Zjištěné kalibrační konstanty pro dané tlaky pomocí CaCO Tabulka 3.2. Přehled druhů sádry pro měření plynatosti..49 Tabulka 3.3. Průměrné hodnoty plynatosti sádry v práškové formě ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase při teplotě 800 C...49 Tabulka 3.4. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentraci 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 800 C...50 Tabulka 3.5. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentraci 25 % voda a 75 % sádra při teplotě 800 C...52 Tabulka 3.6. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v práškové formě v závislosti na čase při teplotě 1000 C..53 Tabulka 3.7. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentrace 50 % voda a 50 % sádra při teplotě 1000 C..54 Tabulka 3.8. Průměrné hodnoty plynatosti sádry ( Kittfort bílá, HET bílá, HET šedá) v závislosti na čase o koncentrace 75 % voda a 25 % sádra při teplotě 1000 C 56 65

66 SEZNAM PŘÍLOH PŘÍLOHA Č.1 Charakteristika měřených jednotlivých druhů sádry 66

67 PŘÍLOHY 67

68 Příloha č. 1 Charakteristika jednotlivých druhů sádry Sádra KITTFORT bílá Vyrobená Použití : Universální sádra určená pro vodoinstalační, elektroinstalační, stavební, topenářské a modelářské práce. Podklad musí být pevný, nosný, soudržný, bez prachu a mastnot. Místo se doporučuje navlhčit vodou. Sádra se nasype do vody (né opačně). Bezpečnost: při práci nejezte, nepijte, nekuřte a dodržujte základní hygienická pravidla. Používejte ochranný oděv a ochranné brýle nebo obličejový štít. Při zásahu do očí důkladně vyplachujte proudem vody po dobu min. Při náhodném použití vypláchněte ústa a vypijte min 0,5 l vody. Ve vážnějších případech vyhledejte neprodleně lékařskou pomoc. Technické parametry: Setrvání v tekutém stavu 5-10 min Doba tuhnutí 8-12 min. Míchací poměr sádry s vodou 1:0,65 Teplota prostředí, i podkladu musí být nad +5 C Skladování: v suchu C Výrobce: Kittfort, s r. o. provozovna Horňátky Neratovice Česká republika 68

69 Sádra HET bílá Vyrobená: Použití: k vyrovnání drobných nerovností stěn (omítek, zdiva, panelů, sádrokartónů, atd.) v interiérech k modelování a lití dekorativní keramiky a pro vodoinstalační, topenářské, elektroinstalační a stavební práce. Není vhodná pro venkovní práce, podlahy a trvale vlhké plochy, sklo, plasty, kovy a jako podkladní vrstva pod obklad. Nedoporučuje se ke spárování. Podklad: pevný zbavený mechanických nečistot, odmaštěný, bez prachu a nesoudržných vrstev. Technické údaje: míchací poměr: 1kg sádry: 0,57 0,63 litrů vody doba v tekutém stavu 8 25 min doba tuhnutí min aplikační teplota (okolí podkladu sádry) C - nedodržení poměru míchání působí na kvalitu výrobku, zejména na dobu tuhnutí a pevnost. Bezpečnost: R36 dráždí oči S2 uchovejte mimo dosah dětí S22 - nevdechujte prach S25 - zamezte styku s očima S 26 při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. Výrobce: BPB Formula GmbH, D Walkenned, Německo Distributor: HET, spol. s r.o., výrobní závod, 41765, Ohnič u Teplic 69

70 Sádra HET šedá Vyrobená: Použití: Univerzální sádra pro vodoinstalační, topenářské, elektroinstalační a stavební práce. Technické údaje: míchací poměr 1 kg sádry: 0,7 0,85 litů vody doba v tekutém stavu min Teplota prostředí a podkladu při aplikaci nesmí klesnout pod +5 C Bezpečnost: Dodržujte základní hygienická pravidla. Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte proudem vody min. Při požití vypláchněte ústa a vypijte 0,5 litrů vody. Ve vážnějších případech vyhledejte lékaře. Výrobce: Gypstrend, spol. s r.o., Kobeřice, ČR Distributor: HET, spol. s r.o., výrobní závod, 41765, Ohníč u Teplic 70