TECHNOLOGIE I (slévání a svařování) Přednáška č. 5: Druhy forem a jejich charakteristika. Výroba pískových forem, model modelová deska. Formovací směsi (ostřivo, pojivo, přísady, popř. voda). Pojiva I, II., III. generace. Pojiva II. generace chemické procesy pojení (Croning, HB, CB, CO2, SO2, sádra, keramika atd.). Autoři přednášky:
prof. Ing. Iva NOVÁ, CSc. Ing. Jiří MACHUTA, Ph.D. Pracoviště: TUL – FS, Katedra strojírenské technologie
TE I Přednáška č. 05
Schéma výroby odlitků v netrvalých formách
TE I
Slévárenské formy
Přednáška č. 05
Slévárenská forma – je pracovní předmět je to v podstatě „nádoba“ vyrobená ze žáruvzdorného materiálu (písek, kov, keramika, atd.), která má dutinu. • tato dutina je svým tvarem negativem budoucího odlitku. Dutina formy je propojena s povrchem formy vtokovou soustavou. • vtoková soustava slouží k dopravě taveniny kovu do dutiny formy.
TE I Přednáška č. 05
Náležitosti pro výrobu pískových forem
TE I
Slévárenské formy
Přednáška č. 05
Konstrukce a materiál forem i tvar vtokových soustav je závislý na metodě plnění formy taveninou (gravitačně, tlakově, odstředivě, atd.). Slévárenských forem je celá řada, jejich rozdělení provádíme např. podle jejich trvanlivosti: • netrvalé – jsou na jedno odlití, nejčastěji to jsou formy pískové, ale i na vytavitelný model, Croningové, sádrové, cementové, atd. • polotrvalé – jsou na více odlití (nejčastěji cca 25 až 30), jsou vyrobeny z keramické hmoty metodou SHAW • trvalé – jsou pro výrobu celých sérií odlitků, formy jsou kovové, ať již pro gravitační nebo vysokotlaké a nízkotlaké lití.
TE I
Výroba pískových forem
Přednáška č. 05
Rozlišujeme typy výroby pískových slévárenských forem: 1. 2. 3.
ruční formování (jednoduché odlitky – kusová výroba) ; strojní formování na modelovou desku, která je upevněna na formovacím stroji (průmyslová výroba odlitků); výroba dutiny formy na základě skládání nepravých jader do rámu (výroba složitých forem).
TE I
Slévárenské formy
Přednáška č. 05
Model – je pracovní pomůcka, která slouží k výrobě dutiny formy a je větší o míru lineárního smrštění. Je vyroben ze dřeva nebo ze speciálního plastu. Modely bývají nejčastěji dělené.
Modelová deska – je určená pro strojní výrobu forem, montuje se na formovací stroj. Desky bývají dvě (pro výrobu jedné a druhé poloviny formy). Modelová deska obsahuje i model vtokové soustavy.
Náležitosti pro průmyslovou výrobu pískových forem • • • •
modelové desky; formovací rámy formovací směsi; formovací stroje
Formovací směsi pro výrobu pískových forem Formovací směsi - jsou sypké materiály, které slouží pro výrobu netrvalých pískových forem. Sypou se do slévárenského rámu na model nebo modelovou a pomocí nich se vyrábí dutina a stěna formy, resp. slévárenská forma. Formovací směsi se skládají z těchto složek: 1. Ostřivo; 2. Pojivo; 3. Voda; 4. Přísady.
TE I
Složení formovacích směsí
Přednáška č. 05
1. Ostřivo – nosná část formovací směsi (92 %) jsou to zrníčka o velikosti cca 0,3 mm; - je žáruvzdorné (odolává vysokým teplotám)
TE I Přednáška č. 05
Složení formovací (jádrové) směsi
2. Pojivo – látka, která slouží ke spojování zrnek ostřiva - jíly (kašovité hmoty) – složí k výrobě forem; - vodní sklo – slouží k výrobě forem; - sacharidy - pryskyřice – slouží především k výrobě jader a forem.
Složení formovací (jádrové) směsi
TE I Přednáška č. 05
3. Přísady – jsou látky, které zlepšují vlastnosti forem a jader (např. kamenouhelná moučka, pak směsi jsou černé); 4. Voda se přidává do směsí, kde je pojivem jíl, voda dává těmto směsím schopnost pro formování (suchý písek – bábovička se nepovede) - přidává se cca 4 % vody.
Vývoj pojiv formovacích a jádrových směsí
TE I Přednáška č. 05
Dnes se podle typu pojiva dělí formovací směsi na generace: Směsi I. generace (jílová pojiva) - vývojově nejstarší Směsi II. generace (chemicky tvrzené směsi) jsou organické a anorganické. Směsi III. generace –neobsahují pojivo v pravém slova smyslu (prakticky bez pojivové), využívají fyzikální působení na ostřivo. Směsi IV. generace – jsou ve vývoji, využívají biologických procesů pojení (chceme zdravotní neškodnost pojiv).
TE I
Pojiva I. generace
Přednáška č. 05
Jílová pojiva – nejpoužívanějším je tzv. bentonit, z toho také označení bentonitové směsi. • formování – tj. zhušťování se provádí s použitím mechanických sil (ruční pěchování,strojní střásání, lisování, metání, atd).
TE I
Pojiva II. generace
Přednáška č. 05
Pojiva II. generace - zpevnění forem a jader probíhá vytvrzováním chemickými reakcemi pojiva samovolně nebo zásahem zvenčí. • směsi s ovládaným ztužováním • směsi samotvrdnoucí • účelem bylo zvýšení produktivity práce, a zlepšení povrchové kvality odlitků. Pojiva II. generace se dělí: • pojiva anorganická • pojiva organická II. generace pojiv se začala objevovat ve 40. letech minulého století, patenty Croninga (1944 - skořepinové formy) a Petržely (1947 - pojivo ve formě vodního skla vytvrzeného CO2)
TE I
Formovací a jádrové směsi II. generace pojiv – je založena na chemickém procesu pojení • pojení probíhá za tepla, za studena. • základní dělení je na organická a anorganická pojiva.
Organická - nejvíce využívaná pro výrobu jader Anorganická - jsou příznivější z ekologického hlediska Formovací směsi ztužované zásahem zvenčí: • • •
CT směsi C skořepiny metody výroby jader HB, WB, CB
Samotvrdnoucí formovací směsi: • •
sádrové formy keramické formy
Přednáška č. 05
TE I
Organická pojiva
Přednáška č. 05
Organická Přírodní oleje
Umělé pryskyřice
Sacharidy
Kombinovaná
Fenolické
Monosacharidy
Furanové
Polysacharidy
Močovinoformaldehydové
Kombinované
TE I
Typy pryskyřic
Přednáška č. 05
Ve slévárenství byly aplikovány do dnešní doby tyto pryskyřice • • • • • • •
fenolické (pryskyřice novolakového typu a resolového typu) furanové močovinové alkydové polyuretanové epoxidové akrylátové
TE I
Fenolické pryskyřice
Přednáška č. 05
Výroba jader v kyselém a zásaditém prostředí
Pryskyřice pro výrobu forem a jader metodou podle Croninga Metoda dle Croninga – slouží pro výrobu forem a jader • • • • • •
základem byla termoplastická fenolformaldehydová pryskyřice dnes fenolická pryskyřice skořepina vzniká postupným natavováním směsi pryskyřice a ostřiva teplem vyhřáté modelové desky nebo jaderníku na teplotu 240 až 280 °C dnes se používá pryskyřice fenolická tzv. novolakového typu pryskyřice je teplem tavitelná i teplem vytvrditelná s použitím katalyzátoru vedle forem se vyrábí též jádra, která jsou dutá
Typy směsí pro C metodu • obalená – novolaková prášková pryskyřice s křemenný ostřivem + katalyzátor • suchá – novolaková prášková pryskyřice a ostřivo + katalyzátor
TE I Přednáška č. 05
Princip výroby forem podle Croninga
1) vyhřívaná modelová deska se směsí na bázi pryskyřice; 2) nasypání směsi na vyhřívanou modelovou desku (240-280 °C); 3) teplo z modelové desky nahřeje část směsi, která kopíruje tvar desky, tím se vytvoří tenká skořepina; podobným způsobem svyrobí druhá skořepina 4) teplem se skořepiny vytvrdí, skořepiny se smontují - vytvoří formu, která se ještě může zasypat (6), odlijeme = odlitek
odlitek
Croningova metoda a HB metoda
• • •
• • • • •
Croningova metoda (metoda C) - vytvoření tenkého skořepinového obalu, který získá dostatečnou pevnost přímo na modelu Formovací směs se vstřeluje přímo na předehřátou modelovou desku nebo do jaderníku (250 až 280°C) vytvrzení po dobu 30 až 180 [s] (teplota styku s modelem 280°C) úspora formovací směsi Hot – Box (metoda horkých jaderníků) – k vytvrzení se používá teplo ohřátého jaderníku na teplotu cca 370°C využívá kapalných pojiv jádrová směs vyžaduje důkladné upěchování v jaderníku
Rozdíl v plynotvornosti metoda Croninga vykazuje větší plynotvornost díky v hojné míře používaných organických formaldehydových a fenolformaldehydových pryskyřic Metoda Hot – Box používá furanové pryskyřice množství pojiva je u Croningovy metody je sice mnohem menší; metody HB má vyšší teploty vytvrzení, proto při lití je již menší uvolnění plynů
TE I Přednáška č. 05
Pryskyřice pro výrobu jader metodou HB Metoda Hot Box – výroba jader v kovovém horkém jaderníku, • jádrová směs se do jaderníku vstřeluje a vytvrzuje teplem • vytvrzování jader začíná od horkého jaderníku o teplotě 180 až 300 °C • metodou HB se vyrábí plná jádra • používáme dva typy pojiv: • pryskyřice nebo sacharidy (kombinace)
• • • • •
Používají se pryskyřice močovino-formaldehydová melaminoformaldehydová furanová fenol-formaldehydové (resoly) výjimku tvoří modifikované Na-silikáty a roztoky (anorganická pojiva)
Pryskyřice pro výrobu jader metodou Cold Box Metoda Cold Box – výroba jader ve studeném jaderníku • • • • • • • •
teplota vytvrzování je cca 20 °C + vytvrzovací účinek používají se dva druhy směsí samotvrdnoucí směsi - s přídavkem katalyzátoru (tvrdidla) směsi ztužované z vnějšku – působení CO2 SO2 , TEA, vzduch Samotvrdnoucí směsi - se dělí na kyselé a zásadité směsi na bázi furanové pryskyřice – jsou vytvrzovány kyselinami směsi na bázi fenolické (rezolové) pryskyřice – jsou vytvrzovány kyselinami směsi na bázi alkalických Na silikátů – jsou vytvrzovány estery směsi na bázi alkalizovaných fenolických pryskyřic - jsou vytvrzovány estery
Poznámka: estery - jsou organické sloučeniny, které obsahuji skupinu vodík ve skupině OH
TE I
Anorganická pojiva
Přednáška č. 05
Anorganická Vodní sklo
Sádra
Pojiva pro vytavitelný model
Alkosoly
Hydrosoly
Cement
Pojiva II. generace vodní sklo
TE I Přednáška č. 05
Vodní sklo - je průhledná rosolovitá kapalina (vodní roztok křemičitanů), která s křemenným ostřivem tvoří formovací směs, její profouknutí CO2 vzniká kompaktní tuhá hmota. • uplatnění vodního skla pro výrobu slévárenských forem zavedl Lev Petržela v 50. letech 20 století. • směsi s vodním sklem profouknuté CO2 se nazývají CT směsi
Anorganická pojiva II. generace sádra • • • • • • • • •
sádra je hydraulické pojivo pojení je procesem hydratace přidává se voda - vodní součinitel sádra chemicky váže vodu používá se pro výrobu sádrových forem sádrové formy se používají v TESLA Pardubice sádra tvoří pojivo i ostřivo výroba rozměrově přesných odlitků sádrové formy se používají pro výrobu speciálních odlitků, kde vyžadujeme hladký povrch vnitřních ploch (vlnovody)
Anorganická pojiva II. generace (cement) • • • • • •
cement je hydraulické pojivo pojení je procesem hydratace přidává se voda - vodní součinitel cement chemicky váže vodu používá se pro výrobu cementových forem cementové formy mají využití v zahraničí
TE I
Tavení slévárenských slitin
Přednáška č. 05
Literatura: [1] NOVÁ, I.: Technologie I. [Skripta], FS-TU v Liberci 2006. [2] MICHNA, Š., NOVÁ, I.: Technologie zpracování kovových materiálů. 1. vyd. Adin Prešov, 2008. [3] VETIŠKA, A.: Teoretické základy slévárenské technologie. 1. vyd. Praha 1974. [4] BEDNÁŘOVÁ, V.: Základy teorie a technologie slévárenství. [Studijní opora]. VŠB – TU Ostrava 2012.
