ALKALISTEN ITSESTÄÄN KOVETTUVIEN FENOLIHARTSIPOHJAISTEN KAAVAUS- JA KEERNAHIEKKOJEN KOVETTUMISNOPEUDEN KIIHDYT- TÄMINEN LÄMMÖN AVULLA

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU MATERIAALITEKNIIKAN OSASTO METALLURGIA BO PRIESTER ALKALISTEN ITSESTÄÄN KOVETTUVIEN FENOLIHARTSIPOHJAISTEN KAAVAUS- JA KEERNAHIEKKOJEN KOVETTUMISNOPEUDEN KIIHDYT- TÄMINEN LÄMMÖN AVULLA Diplomityö, joka on jätetty opinnäytetyönä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa Työn valvoja: Professorit TkT Lauri Holappa ja TkT Juhani Orkas Työn ohjaaja: Diplomi-insinööri Carl-Johan Nybergh

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Materiaalitekniikan osasto Tekijä: Diplomityö: Päivämäärä: Professuuri: DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Bo Priester Alkalisten itsestään kovettuvien fenolihartsipohjaisten kaavaus- ja keernahiekkojen kovettumisnopeuden kiihdyttäminen lämmön avulla Metallurgia / Valimotekniikka Sivumäärä: 86 Koodi: Mak-37 / Kon-80 Valvoja: Ohjaaja: Avainsanat: Prof. Lauri Holappa ja Prof. Juhani Orkas DI Carl-Johan Nybergh Alphaset, fenolihartsi, kovettuminen Diplomityössä pyrittiin selvittämään esterikovetteisen fenolihartsihiekan nopeutettua kovettamista maksimi 320 o C ilman avulla. Tavoitteena oli samalla kehittää teollisuusmittakaavan soveltuva kuumennuslaitteisto, jolla saadaan hiekkaan käsittelyä kestävä lujuus kymmenessä minuutissa. Diplomityö on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäisessä esitellään kaasumaisen ja nestemäisen esterin avulla kovettavien fenolipohjaisten hartsien ominaisuuksia ja menetelmiä. Lisäksi pyritään selvittämään lämmönsiirto- ja dehydraatio -ilmiöitä fenolihartsihiekassa, sekä arvioimaan tärkeimpiä muuttujia lujuuden kannalta laboratoriokokeita varten. Koelaitteiston vaatimukset pyritään selvittämään vastaavien vesilasihiekoille tehtyjen kuumennuskokeiden avulla. Toisessa osassa esitellään koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä itse laboratoriokokeet ja tulosten analysointi. Kuumennuskokeita tehtiin taivutuslujuussauvoille, isoille hiekkasylintereille ja teollisuussovellutuksena pumppukeernalle. Lisättäessä hartsia 30 % saatiin muutamassa minuutissa jopa kolminkertaisia taivutuslujuusarvoja vuorokauden huoneenlämpötilakovettumiseen verrattuna. Myös pelkälle elvytetylle hiekalle saatiin erinomaisia lujuusarvoja. Hiekan havaittiin säilyttävän hyvän lujuutensa niin kauan kuin se on kuumaa ja tämän jälkeen lujuus romahtaa huoneenlämpötilakovettumiskäyrää kulkien kohti 24 h:n arvoaan. Sylinterikokeissa havaittiin, että ilma luovuttaa lämpönsä tuloilman lähellä ja poistuu kylmänä. Ratkaisu tähän on tehdä ilmakanavia hiekkaan, jolloin saadaan tasainen lämpötilajakauma. Kuumennusmenetelmän edut ovat ilmeiset, mutta käytännössä suurin ongelma on helppojen ja halpojen ilmauskanavien tekeminen varsinkin hankalanmuotoisilla kappaleilla kuten pumppukeernalla.

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Department of Materials Science and Engineering Autho: Thesis: Date: Professorship: ABSRACT OF THE MASTER S THESIS Bo Priester Rapid hot air curing of alkaline self -cured phenolic resin based core and moulding sands Metallurgy / Foundry Technology Number of pages: 86 Code: Mak-37 / Kon-80 Supervisor: Instructor: Professors, D.Sc. Lauri Holappa and D.Sc. Juhani Orkas M.Sc. Carl-Johan Nybergh Keywords: Alphaset, phenolic resin, hot air cure The objective of this thesis was to test rapid hot air curing of silica sand bonded with an alcaline phenolic binder. Heating equipment and parameters for faster industrial scale processes were also investigated. The thesis consists of two parts. The first introduces curing mechanisms and methods of silica sand bonded with an alkaline phenolic binder by hardening it with gaseous or liquid ester hardener. Heat transfer and dehydration of the resin coated sand is also studied. Most important variables to be measured in laboratory tests are defined. The demands and properties of the heating equipment are defined by taking example from hot air curing tests used for the hot air curing of sodium silicate bonded sands. The second part introduces the test equipment used and the test results with analysis. Heat treatments with pressurized air were made with bending strength samples, sand cylinders and industrial scale tests with a pump core - box. 30 % higher strength values were achieved with samples tested immediately after a 2 minute hot air curing compared to strength values measured after 24 hour ambient temperature curing. By increasing the resin amount from 1,4 % to 2,2 % the strength values were doubled, with the same heat treatment. Tests made with 100 % reclaimed sand gave also high strength values. The trend is that sand keeps its exceptionally good strength level as long as it is warm after which it lowers and starts to follow the reference hardening curve obtained with a self setting system. Cylinder tests showed only little heat transfer through the whole structure because all the heat is captured by the upper 15 cm surface layer and the out coming air was thus cold. Solution for getting a homogenously heat treated structure is to ensure proper air flow penetration into the whole structure by having air channels moulded into the sand cylinder. The benefits of the rapid hot air curing -method have been shown. The most important objective in practise is how to ensure proper air flow into the whole structure with more demanding shaped cores and moulds.

4 ALKUSANAT Itselleni aiheeltaan hieman yllätyksellinen diplomityöaihe osoittautui erittäin mielenkiintoiseksi ja vei minut aina Walesiin ja Düsseldorfiin asti tietoa hakemaan. Callelle suuri kiitos vähintäänkin riittävien resurssien järjestämisestä ja arvokkaista neuvoista. Laitteiston ja raaka - aineiden hankinnasta kuuluu suuri kiitos Sulzer Pumpsin Karhulan valimoille, Valimotekniikan laboratorion harjoitusmestarille Ilmari Pajamäelle, kuumennuslaitteiston toimittaneelle Kari Korpiolalle ja etenkin laboratorioinsinööri Eero Niinille, jonka kanssa kiersimme kehäteiden varsia laitteistoa hamstraamassa. Vaikkei niihin lukemattomiin kuitteihin tuijottamalla näkisi edessään sofistikoitunutta tutkimuslaitteistoa, tuli lopputuloksesta kuitenkin varsin käyttökelpoinen. Lisäksi haluaisin kiittää Etolan kumeja tiiviistä yhteistyöstä. Diplomityö vaati laitteiston kokoamista tyhjästä, eikä toimitusaikojen pituus ja kesälomien alkaminen osaltaan helpottanut urakkaa. Liekö syynä ollut oma päättäväisyys, muiden antama apu tai puhdas tuuri, niin kuumennuslaitteisto kaikkine lastentauteineen saatiin toimimaan varsin nopeasti ja kokeet alkamaan. Menetetyt hellepäivät hiekkarannalla korvasi satojen hiekkakoesauvojen rikkominen Valimotekniikan laboratoriossa paineilmaletkun aiheuttaman sietämättömän resonanssiäänen säestämänä. Kun mittauksien päätyttyä otin kuulokkeet pois päästä ja astuin hiekkadyyniksi muuttuneen laboratorion ovesta ulos, oli ilahduttavaa huomata, että sinisilmäinen toive suuresta keksinnöstä poiki näinkin lupaavia tuloksia. Ja nyt kohti uusia haasteita! Espoossa Bo Priester

5 1 LYHENTEITÄ Työskentely-/ penkkiaika Sideaineen ja kovetteen sekoittamisesta hiekan kovettumisen alkamiseen kuluva aika. Penkkiajan jälkeen tehty hiekkasullonta heikentää merkittävästi loppulujuutta, kun jo muodostuneet sidokset rikkoutuvat. Elvytys Käytetyn hiekan käsittely yksiraekokoiseksi, pölyn- ja sideaineen poisto, sekä jäähdytys. VOC -yhdisteet Volatile Organic Compound. Haitallisin näistä on formaldehydi. TPA Hexion Speciality Chemicalsin Alphaset -hartseille käyttämä tyyppimerkintä. ACE HSC Alphaset -kovetteille käytetty tyyppimerkintä. Kaavauskehys Kehys, jonka sisälle muottihiekka kaavataan. 15XX -kovete Numerosarjan kaksi ensimmäistä numeroa ilmoittavat kovetetyypin kykyä sitoa kovettumisessa vapautuvaa formaldehydiä ja loppu osa ilmoittaa viitteellisen penkkiajan, mikäli hiekan lämpötila on 20 o C. BOS Based On Sand -laskettuna hiekan määrästä. BOR Based On Resin -laskettuna hartsin määrästä.

6 2 SISÄLLYSLUETTELO OSA I JOHDANTO SIDEAINEIDEN KÄYTTÖ VALIMOTEOLLISUUDEN MUOTIN- JA KEERNANVALMISTUKSESSSA Keernasideaineet ALKALISET ITSESTÄÄN KOVETTUVAT FENOLIHARTSIPOHJAISET SIDEAINEET Alphaset -menetelmän edut verrattuna muihin kilpaileviin menetelmiin Esterikovetteisen fenolihartsihiekan elvytettävyys ALKALISET KAASUMAISEN ESTERIN AVULLA KOVETTUVAT FENOLIHARTSIPOHJAISET SIDEAINEET JA MENETELMÄT Kaasumainen esterikovete ja sen injektointi hiekkaan Betaset -menetelmän edut verrattuna muihin kilpaileviin menetelmiin SILIKAATTIPOHJAISET DEHYDRAATION KAUTTA KOVETTUVAT SIDEAINEET Vesilasihiekkojen nopeutettu kovettuminen lämpimän ilman avulla ALKALISEN HARTSIN DEHYDROITUMINEN LÄMPIMÄSSÄ ILMAVIRTAUKSESSA Dehydraation estäminen lisäämällä vettä paineilmaan LÄMMÖN SIIRTYMINEN PAINEILMASTA KAAVATTUUN HIEKKAAN Lämmönsiirron teoreettinen tarkastelu Käytännön menetelmät lämmönsiirron parantamiseksi KOVETTUMISNOPEUDEN SÄÄTÖ LÄMMÖN AVULLA... 25

7 3 OSA II KOEKAPPALEEN VALINTA JA LAITTEISTON SUUNNITTELU Koekappaleet Tutkimuksen lähtöolettamukset Koelaitteisto Hiekan sekoitin Koesauva- ja ilmausnippelilevy Paineilman kuumennuslaitteisto Koesylinteri HIEKAN LUJUUDEN MITTAUS Kolmipistetaivutuslujuus Keernakovuusmittari, tyyppi PKH Tunkeutumissyvyysmittari, tyyppi PEP MITTAUSTULOKSET LABORATORIO-OLOSUHTEISSA Lämpötilan vaikutus lujuuteen Referenssikäyrät huoneenlämpötilassa Uunilla tehdyt lämpökäsittelykokeet Paineilmalla tehdyt lämpökäsittelykokeet Työskentelyajan vaikutus lujuuteen Lämpökäsittelyajan vaikutus lujuuteen Hartsi- ja kovetemäärän vaikutus lujuuteen Sideainemäärän vaikutus lujuuteen Pelkällä hartsilla saavutettavat lujuudet Hiekan kosteuden vaikutus lujuuteen Uusi hiekka Elvytetty hiekka Ilman virtauksen optimointi: Kokeet isolla sylinterillä Kaasun läpäisevyys Paineen muuttaminen Lujuuden ja kovuuden välinen korrelaatio TEOLLISUUSMITTAKAAVAN KOE PUMPPUKEERNALLA Tuotantoparametrien määrittäminen YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET... 86

8 4 OSA I 1. JOHDANTO Muottien ja keernojen valmistukseen käytetään pääosin valimohiekkoja valettaessa rautapohjaisia metallivalukappaleita korkeissa lämpötiloissa. Valimohiekoissa käytettyjen sideaineiden kirjo on suuri ja niiden valintaan vaikuttaa mm. hiekan lujuus ja kovettumisnopeus, kustannukset, metallurgiset haittatekijät, hiekan kierrätettävyys, valukappaleen pinnanlaatu, korkealämpötilaominaisuudet ja ympäristötekijät. Kaavausprosessi alkaa sideainekomponenttien ja hiekan sekoittamisella. Yksinkertaisimmillaan kaavaus tapahtuu tekemällä kaksi hiekkamuotin puoliskoa kaatamalla hiekkaa kaavauskehyksen rajoittamaan tilaan jakotasoa pitkin leikatun mallikappaleen puolikkaan päälle. Luja rakenne saadaan hiekan tiivistyksellä, joka tapahtuu sullomalla käsin, puristamalla tai täryttämällä. Hiekan kovetuttua mallikappaleen puoliskot irrotetaan ja hiekkamuotin puolikkaat asetetaan yhteen niin, että jakotasot ovat tiiviisti vastakkain. Hiekan sisälle jäävä mallikappaleen muotoinen ontto tila täytetään metallisulalla täyttökanavaa pitkin. Onttoon tilaan voidaan asettaa erikseen keernalaatikossa sullottava ja kovetettava hiekkakeerna, jolla aikaansaadaan onttoja muotoja valukappaleen sisälle. Tuotantonopeus on eräs valimoiden keskeisimpiä kilpailukykytekijöitä. Kaavausprosessin nopeus riippuu itsestään kovettuvilla sideainemenetelmillä hiekan sullonta- ja kovettumisnopeudesta. Kaavausnopeutta voidaan nostaa, jos valuhiekka kovettuu nopeammin, kun nopeasti kovettuvat muotinpuoliskot ja mallit voidaan ottaa käyttöön aikaisemmin, koska tarvittava muotinpuoliskojen käsittelylujuus on saavutettavissa aikaisemmin. Kokemuksen mukaan 10 C lämpötilan nousu esterikovetteisessa fenolihartsihiekassa laskee penkkiaikaa puoleen. Diplomityössä pyritään selvittämään kuumalla paineilmalla nopeutetun kovettumisen vaikutuksia laboratoriomittakaavassa. Myös kylmempien hiekkojen lämpötilavaihtelut voidaan kompensoida muuttamalla lämmöntuontia nopeutetussa kovettamisessa. Toisaalta saadaan huomattavasti nopeutettua kaavauksen jälkeistä kovettumista lähelle loppulujuutta. Seurauksena on, että kaavauksessa kapasiteetti kasvaa, kun

9 5 tuotantosykli nopeutuu. Tarkoituksena oli myös selvittää onko hiekan loppulujuus korkeampi, mikä mahdollistaisi hankalampien muotojen parempaan kestävyyteen niin muotti-, kuin keerna -sovelluksissakin. Työssä tarkastellaan ensiksi yleisesti valimoteollisuudessa käytettäviä sideaineita, jonka jälkeen käydään läpi alkaliset fenolipohjaiset sideaineet. Tämän jälkeen tarkastellaan silikaattipohjaisten sideaineiden kovettamista lämpimän ilmavirran avulla, sillä olemassa olevasta aiheeseen liittyvästä tutkimustiedosta voi saada suuntaa antavaa tietoa diplomityön koejärjestelyjä silmälläpitäen. Lisäksi tarkastellaan lämmön johtumista ilmasta hiekkaan, sekä kuuman ilman kuivattavaa vaikutusta itse kovettumisreaktioon. Kokeellisessa osassa pyritään selvittämään menetelmälle sopivat parametrit, joita voitaisiin menestyksekkäästi soveltaa teollisuusmittakaavassakin.

10 6 2. SIDEAINEIDEN KÄYTTÖ VALIMOTEOLLISUUDEN MUOTIN- JA KEER- NANVALMISTUKSESSSA Valimoteollisuudessa käytetään muottimateriaaleina tulenkestäviä materiaaleja. jotka kestävät sulien metallien lämpötilan ja lämpöshokin. Muotit valmistetaan tyypillisesti seulotusta tietyn raekokojakauman omaavasta hiekasta, joka voi olla kvartsi-, kromiitti-, zirkoni tai oliviinihiekkaa tai näiden seos. Hiekka sidotaan ja kovetetaan eri menetelmin. /1/ Perinteiset hiekan sideaineet ovat olleet erityyppiset savet ja luvun lopusta alkaen myös ns. bentoniitit. Jo luvun alussa on tunnettu sementtihiekkamenetelmä sekä toisen maailmansodan jälkeen kehitetty vesilasi -CO 2 -menetelmä perustuvat hiekan kemialliseen kovettamiseen. Kehitys jatkui ja luvuilla nopeasti ja nykyisin ovat erityyppiset kylmä- ja kuumakovettuvat orgaaniset hartsit laajassa käytössä sideaineina valimoteollisuudessa. Kemiallisesti kovettuvilla sideaineilla saavutetaan selvästi suurempia hiekan lujuuksia kuin bentoniittipohjaisilla hiekoilla. /2/ Sideaineet voidaan nykyään jakaa kolmeen pääryhmään: savisideaineisiin (bentoniitti), kemiallisesti kovettuviin epäorgaanisiin (sementti, vesilasi) ja kemiallisesti kovettuviin orgaanisiin (hartsit) sideaineisiin. Savisideaineet, joihin on lisätty vettä, kovettuvat sullomalla. Hartsisideaineilla kovettuminen tapahtuu, kun hiekan läpi puhalletaan kovetinkaasua tai ne ovat itsekovettuvia, jolloin kovettuminen perustuu kahden tai useamman hiekassa olevan aineen keskinäiseen reaktioon. Hartsit voidaan saada kovettumaan myös lämmön vaikutuksesta. Käsinkaavauksessa käytetään nykyään usein kylmänä kovettuvia hartsihiekkoja, eli muotin kovettuminen tapahtuu kemiallisesti. /3/ Kovettaminen voidaan myös tehdä ilman erillistä kovetetta lämmön avulla paistamalla valmiiksi kaavatut keernat ja hiekkamuotit uuneissa. /4/ Yhteistä kemiallisesti kovettuville hiekoille on, että pinta-aktiivinen (adhesiivinen) sitojakomponentti peittää tasaisesti hiekan rakeet ja ne ovat kosketuksissa toisiinsa, jolloin kaasumaiset, höyrystetyt nesteet, nestemäiset kovetteet tai katalyytit aikaansaavat itse sideaineessa ristisidosten muodostumista ja näin ollen lujan sidoksen. /1/

11 7 Sideainejärjestelmien suosioon ovat vaikuttaneet tuottavuuden, ominaisuuksien ja hinnan lisäksi voimakkaasti ympäristötekijät. Fenolihartsipohjaisilla sideaineilla on valimoteollisuudessa lähes 60 % markkinaosuus. Kuva 1.Valimohiekkojen yleisimmät orgaaniset sideainejärjestelmät ja niiden markkinaosuus Länsi -Euroopassa Kuvaaja ei sisällä hartsittomia epäorgaanisia sideainejärjestelmiä tai saveja. /5/ 2.1 Keernasideaineet Valimoissa keernasideaineina käytettävät hartsit voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään: kylmä- ja kuumahartseihin. Selvää rajaa niiden välille ei voida vetää, sillä useat hartsit sopivat käytettäviksi sekä kylmä että kuumahartsimenetelmissä. /2/ Suomessa keernoista % tehdään kylmälaatikko -menetelmällä. Menetelmän etuja ovat keernojen lujuus, mittatarkkuus ja pinnanlaatu. Lisäksi menetelmä on nopea ja keernoilla on hyvä varastointikestävyys. Tavallisesti keernojen kolmipistetaivutuslujuudessa pyritään arvoihin kn/m 2. /3/

12 3 ALKALISET ITSESTÄÄN KOVETTUVAT FENOLIHARTSIPOHJAISET SI- DEAINEET 8 Itsekovettuvilla fenolihartsipohjaisilla sideaineilla kovettuminen perustuu kahden tai useamman hiekassa olevan aineen keskinäiseen reaktioon. Useimmat hartsit sopivat käytettäviksi sekä kylmä- että kuumahartsimenetelmissä, joissa hartsit voidaan saada kovettumaan myös lämmön vaikutuksesta. Käytetympiä ovat kuitenkin energiaa säästävät kylmähartsimenetelmät. /6/ Englantilainen Borden Chemicals (UK) Ltd kehitti v resolityyppiseen formaldehydihartsiin ja estereihin perustuvan sideainejärjestelmän, joka on nopeasti saavuttanut suuren suosion valimoissa. Tämä yleisesti Alphaset -nimellä tunnettu menetelmä sopii sekä keernojen että muottien valmistukseen./2/ Sideaineen määrää lisäämällä muotti- tai keernahiekan lujuus kasvaa lineaarisesti sideainepitoisuuksilla 1,5-1,75 %. /3/ Alphaset -menetelmässä sideaineena on fenoliformaldehydi (PF) ja kovetteena toimii esteri tai laktoni. /1, 3/ Fenoleja (P) ovat yksinkertaiset aromaattiset yhdisteet, joissa OH- ryhmä on suoraan liittyneenä aromaattiseen renkaaseen. Nimensä nämä aineet ovat saaneet perusyhdisteestään fenolista, jonka kemiallinen koostumus on C 6 H 5 OH. Fenoli reagoi helposti formaldehydin kanssa muodostaen joko novolakka- tai resolityyppisiä fenoliformaldehydihartseja (PF). /2/ Fenoliformaldehydi sisältää pitkiä polymeeriketjuja, jotka silloitetaan kovetteella yhtenäiseksi verkoksi eli makroskooppisesti tarkasteltuna viskositeetti kasvaa eli sideaine kovettuu. Kovetteet ovat alkoholin ja hapon kombinaatioita, jotka koostuvat orgaanisista karbonaateista, happamista karboksyyli -estereistä, laktonikovetteista tai näiden seoksista. /1, 4/

13 9 Kuva 2. Hartsin kovettumisen eli resoli esterin reaktio esitettynä rakennekaavojen avulla. Merkitsemättömissä vapaissa päissä on H tai CH 2. tai ne ovat vapaita. Merkitsemättömissä nivelissä on CH 2. /7,8/ Kovete ja hartsi sekoitetaan hiekkaan ennen kaavausta, jolloin kovettumisreaktio alkaa. Aikaa, jonka jälkeen kovettuminen alkaa, eli penkkiaikaa, voidaan muunnella valitsemalla kovetteen koostumus sopivaksi. Kovettumisnopeutta säädellään esterityypin mukaan, ei eri määrällä. Esimerkiksi propyleenikarbonaatti ja gamma -butyrolaktoni aiheuttavat geeliytymisen sekunnissa, kun triasetiinilla penkkiaika on 5-6 minuuttia. Yhdistelemällä näitä saadaan kovete, jolla penkkiaika hiekan kaavaukseen on riittävä kuitenkin niin, että kovettumisaika loppulujuuden saavuttamiseksi on taloudellisesti järkevällä tasolla. /4/ Taulukko 1. Yleisimpiä esterikovetteita reaktionopeusjärjestyksessä. /9/

14 10 Hiekkaan sekoitetaan yleensä ensin kovete ja sen jälkeen hartsi. Hartsia käytetään 1,2-1,6 % hiekan määrästä. Esterikovetetta käytetään kaavauksessa ja keernan teossa % hartsin määrästä. /10/ Malli voidaan irrottaa muotista 5-75 minuutin kuluttua, riippuen kovetetyypistä. Peitostus voidaan tehdä yleensä heti malli - irrotuksen jälkeen. Valu voi tapahtua heti, kun hiekka on saavuttanut lähes lopullisen lujuutensa (kuva 11). Alphaset -hiekoista valmistetut muotit lujittuvat valun aikana, joten niiden lujuus on käytännössä parempi kuin mitä koesauvoja testaamalla oletetaan. Mallin irrottaminen on huoneenlämpötilassa kovettuneilla Alphaset -hiekoilla varsin helppoa /3/ Diplomityön koejärjestelyissä pyritään saamaan nopeasti poikkeuksellisen luja rakenteellinen kestävyys itse muottiin. Välittömästi mallin ympärillä olevan hiekan tulisi kuitenkin pysyä hieman plastisena mallin irrottamisen helpottamiseksi. Alphaset hiekoille kuten kaikille muillekin orgaanisille sideaineille on tyypillistä, että ne hajoavat hiiltyen metallien valulämpötilassa. Tällöin sideainesillat hajoavat ja muotit on helppo tyhjentää ja keernahiekat poistaa valukappaleista. Hiekkojen kuumalujuutta voidaan myös parantaa eräiden epäorgaanisten lisäaineiden kuten esim. Fe 2 O 3 :n avulla. /2/ Tyypillinen Alphaset -hiekan taivutuslujuus on luokkaa 200 kn/m 2. /11/ Taivutuslujuusarvot riippuvat hiekan raekoosta ja hartsimäärästä. Isommilla raekooilla, 0,3 mm on päästy jopa päälle 300 kn/m 2, mutta tämän jälkeen raekoon suurentaminen heikentää taivutuslujuutta. /12/ Kuva 3. Alphaset -hiekan kolmipistetaivutuslujuuden kehitys keskinopealla kovetteella. /13/

15 Alphaset -menetelmän edut verrattuna muihin kilpaileviin menetelmiin Esterikovetteisia fenolihartsipohjaisia sideaineita käytetään Suomessa laajalti käsin kaavaavissa valimoissa, sillä sideainetyypillä on paljon hyviä ominaisuuksia. Näitä ovat hyvä kuumalujuus, tarkat mittatoleranssit ja hyvä valukappaleen pinnanlaatu. /1/ Hiekan kosteus ei myöskään vaikuta kovettumisessa lujuuskehitykseen. /14/ Kovettumisaika on säädeltävissä laajalla alueella ja muotin halkeilemisesta johtuvat purseet kappaleen pinnalla vähenevät ratkaisevasti. /2/ Alphasetin suosiota on kasvattanut myös ympäristöystävällisyys. /1/ Alphaset -hiekat ovat hienorakeisia ja sulloutuvat erittäin tiiviisti, jolloin kaasunläpäisevyys huononee. Toisaalta kaasunmuodostus valun yhteydessä on hidasta. Alphaset -hiekat ovat täysin rikittömiä, eivätkä ne sisällä juuri lainkaan typpeä, Ne sopivat lähes jokaisen metallin valuun. Pallografiittivaluradan valaminen Alphaset - menetelmällä on edullista, sillä happokovetteisten menetelmien yleensä sisältämä rikki estää valukappaleiden pintakerroksissa grafiitin palloutumisen. /10/ Kovettumisreaktiossa syntyy väritöntä formaldehydiä, joka luokitellaan vaaralliseksi, jos hengitysilmassa pitoisuuden painotettu keskiarvo nousee 8 h työvuoron aikana yli 0,75 ppm:n. /2, 15/ Haju on voimakkaan pistävä ja ärsyttää silmiä sekä hengityselimiä. Suurin osa formaldehydistä sitoutuu kuitenkin hiekkaan ja erittäin pieni osa pääsee ilmaan. Ongelma voidaan välttää riittävällä ilmanvaihdolla. /1/ Muita huonoja puolia kilpaileviin happokovetteisiin sidosaineisiin verrattuna ovat alhainen lujuus ja suhteessa heikko kierrätettävyysprosentti. /15/ Alphaset -hartsin sisältämä fenoliformaldehydi (PF) on öljypohjainen tuote ja siten sidoksissa öljyn hintaan. /3/ Valumäärällisesti Alphaset on Suomessa suurempi kuin kilpaileva furaanimenetelmä. Furaanimenetelmä on maailmanlaajuisesti ykkönen. Alphaset -menetelmä sopii myös oliviinihiekalle, mutta furaanimenetelmässä sen käyttöä rajoittaa oliviinin emäksisyys. /10/

16 12 Kuva 4. Suomessa käytettävät valimohiekat paikkakunnittain vuonna Tuorehiekkamenetelmässä sideaineena on bentoniitti. Furaani ja Alphaset kuuluvat hartsissideaineisiin ja muut -kohta sisältää sementillä kovetettuja hiekkoja. /3/ Kovetteena käytettävällä orgaanisella metyyliesterillä on puolestaan hyviä ominaisuuksia, kuten lähes olematon höyrystyminen, alhainen viskositeetti, ei syttymisvaaraa ja huomattavan alhaiset VOC- ja bentseeniyhdisteiden päästöt. Nämä ovat ongelmia, joita esiintyy usein kilpailevien menetelmien kovetteissa. Esterikovete on iholla ärsyttävää ja kovettaa mm. PVC -muovia. 3.2 Esterikovetteisen fenolihartsihiekan elvytettävyys Esterikovetteiset fenolihartsihiekat vaativat elvytyksen jälkeen n % uutta hiekkaa, kun kilpaileva menetelmä, furaanihiekka vaatii vain 10 % uutta hiekkaa riittävän lujuuden takaamiseksi. /16/ Raudan ja teräksen korkeat valulämpötilat rikkovat hiekkarakeiden väliset sidokset, jolloin muotti hajoaa valun jälkeisessä elvytyksessä helpommin. Alhaisilla valulämpötiloilla esimerkiksi alumiinin tapauksessa jäädään alle 750 C, jolloin sidokset eivät hajoa.

17 13 Uusimmissa mekaanisissa elvytysmenetelmissä on päästy todella korkeisiin elvytysprosentteihin, mutta saavutettava hyöty on kyseenalainen, sillä energian käyttö on suurta ja poistettavan pölyn määrä vastaavasti kasvaa. Termisissä elvytysmenetelmissä nämäkin ongelmat ovat eliminoitavissa, mutta lämpötila olisi nostettava niin korkealle, ettei se enää olisi taloudellisesti kannattavaa. /1/ Fenolihartsiin ns. liukeneva pöly (alkaliset metallisuolat mm. kalium- ja natriumsilikaatit) lyhentävät penkkiaikaa ja laskevat saavutettavia loppulujuuksia. Tämän vuoksi pölynpoisto sekä uudesta että valimossa kiertävästä hiekasta on ehdoton edellytys hyvien lujuusarvojen saavuttamiseksi. Kalium- ja natriumsilikaateista johtuu myös Alphasetin huonompi elvytettävyys verrattuna furaanihiekkoihin. /17/ Veden sekoittamisen hiekkaan (> 0,3 %) juuri ennen hartsin ja kovetteen sekoittumista on todettu lisäävän elvytettyä hiekkaa käytettäessä muotin loppulujuutta. Tämän uskotaan johtuvan siitä, että vesi parantaa komponenttien sekoittumista, tekee epäpuhtauksista inerttejä, ja liuottaa hiekkarakeiden pinnalta vanhoja sideainejäämiä erillisiksi prosessin kannalta merkityksettömiksi partikkeleiksi mahdollistaen lujemman uuden kalvon muodostumisen. /18, 19/ 4 ALKALISET KAASUMAISEN ESTERIN AVULLA KOVETTUVAT FENOLI- HARTSIPOHJAISET SIDEAINEET JA MENETELMÄT Alphasetistä on kehitetty toinen versio, jota kutsutaan kauppanimellä Betaset. Sideaineet ovat Betaset -menetelmässä samat, mutta nestemäistä esteriä ei sekoiteta hiekan joukkoon vaan se kaasuunnutetaan ja puhalletaan kaavatun hiekan läpi. /3/. Kaasumaisen esterin avulla kovetettavia vesiliukoisia fenolihartsipohjaisia sideaineita on ollut saatavilla markkinoilta vuodesta 1984 ja niiden kehitystyö Isossa-Britanniassa sai alkunsa 80 -luvun alussa. Betaset -menetelmä koostuu kahdesta keskenään reagoivasta epäorgaanisesta komponentista; esterikovetteesta ja fenolihartsista. Erillistä katalyyttiä ei käytetä, mutta lämmön avulla voidaan vaikuttaa sidosten muodostumisnopeuteen. /1, 3/ Betaset menetelmä on kylmälaatikkoprosessi, jossa esterikovetetta, eli metyyliformiaattia, puhalletaan kaavatun hiekan läpi, jolloin sideaineena käytettävä alkalinen fenolihartsi

18 14 kovettuu välittömästi. Sideainetta käytetään 1,25 1,6 % hiekan painosta riippuen hiekanlaadusta ja halutusta lujuudesta. /15/ Kaasukovetteiset keernat valmistetaan tavallisimmin keernatykeissä. Sullominen voi tapahtua myös käsin tai täryttämällä. /3/ 4.1 Kaasumainen esterikovete ja sen injektointi hiekkaan Esterin lisääminen hiekkaan kaasumaisessa muodossa metyyliformiaattina mahdollistaa pidemmän sekoitetun hiekan penkkiajan. Menetelmää käytetään varsinkin keernojen valmistuksessa, jolloin haetaan hyvää loppulujuutta lyhyessä kovettumisajassa. Menetelmää sovelletaan Suomessa menestyksekkäästi Sulzer Pumps Oy:n Karhulan valimossa. Metyyliformiaatin höyrystymispiste on 35 C, joten lämmitettäessä se höyrystyy ja tankkiin syntyy matala ylipaine. Metyyliformiaatti johdetaan säiliöstä tiiviiseen muottilaatikkoon mahdollisimman suuren pinta-alan läpi niin, että poistoaukon ala on puolet tuloaukon pinta - alasta. Näin varmistetaan kaasun tasainen jakautuminen muottiin. Koska metyyliformiaatti osallistuu kovettumisreaktioon, halutaan sen virtaavan tasaisesti hiekkaan ja jäävän sinne. Kaasuvirtauksia voidaan säädellä kaasunpoistonippeleillä, joiden kohdalla virtaus on suurempi ja hiekka saa suuremman annoksen metyyliformiaattia ollen loppulujuudeltaan parempi. Kaasumäärän on todettu nostavan voimakkaasti loppulujuutta, mutta käytännössä yli 100 % hartsin painosta on epätaloudellista. /1/ Yleisimmät käytetyt kaasumäärät liikkuvat %:ssa hartsin painosta. Tutkimusten mukaan kylmän hiekan käyttö johtaa reaktion hitauden lisäksi loppulujuuden heikkenemiseen. Tämä voidaan kuitenkin kompensoida metyyliformiaattilisäyksellä. Kylmällä hiekalla on myös odotettava kauemmin kaasutuksen lopussa tapahtuvaa metyyliformiaattin ilmahuuhtelua, jotta hiekassa oleva kondensoitunut kaasu kerkeää höyrystyä uudelleen. /20/ Kaasumaisena metyyliformiaatti muodostaa ilman kanssa sekoitussuhteessa 5 23 % helposti räjähtävän kaasun, joten ilmanvaihdon täytyy olla hyvä. /21/ Reagoimaton metyyliformiaatti on otettava talteen ja puhdistettava ja neutraloitava kunkin paikkakunnan säännösten mukaisesti. /1/

19 Betaset -menetelmän edut verrattuna muihin kilpaileviin menetelmiin Betaset -menetelmässä penkkiaika on halutaessa pitkä ja kovettuminen nopeaa. Keerna voidaan irrottaa keernalaatikosta heti kaasutuksen ja sitä seuraavan nopean lämminilmahuuhtelun jälkeen. Betaset:illä tehdään tyypillisesti pieniä ja keskisuuria keernoja. /3/ Kovettunut hiekka on vapaa typestä ja rikistä, jotka aiheuttavat metallurgisia ongelmia metalleilla. Typpi on useimmissa teräksissä epäpuhtaus ja rikki puolestaan aiheuttaa metallihilaan joutuessaan kuumahaurautta ja häiritsee pallografiittivaluraudan grafiitin palloutumista. Valun- ja jähmettymisenaikainen kaasunkehitys on muutenkin pientä, joten kaasukuplien aiheuttama huokoisuus ei muodostu ongelmaksi ja pinnanlaatu pysyy hyvänä. Valun jälkeinen tyhjennettävyys on hyvä, sillä hartsin sidokset hajoavat valulämpötiloissa tehden hiekasta hauraan. Betaset -menetelmä soveltuu kvartsi-, kromiitti- ja oliviinihiekalle, elvytetylle Alphasetja Betaset- hiekoille, sekä vesilasi- ja cold - box -hiekoille. /21/ Menetelmällä valmistetuille keernoille sopii sekä vesi- että alkoholipohjaiset peitosteet. /3, 21/ Ongelmana Betaset -menetelmällä on heikompi lujuus kuin mitä saadaan cold - box- tai SO 2 - menetelmillä. Laitteiston hankinta on myös kallista, joka on hidastanut Betasetmenetelmän laajempaa käyttöönottoa. /3/ 5 SILIKAATTIPOHJAISET DEHYDRAATION KAUTTA KOVETTUVAT SI- DEAINEET Vesilasi on alkalisilikaattien yleisnimitys. Vesilasin käyttö sideaineena valimoissa yleistyi ja 1950-luvuilla. Sen kovettuminen perustuu sen viskositeetin kasvattamiseen, joko haihduttamalla siitä vettä fysikaalisesti tai sitomalla vesi kemiallisen reaktion avulla. /2/ Kemiallinen reaktio saadaan aikaan mm. hiilidioksidin (CO 2 ) ja esterin avulla. /3/ Vesilasi koostuu keskenään vedessä reagoivista SiO 2 :sta ja Na 2 O:sta. Näiden komponenttien sekoitussuhde määrää vesilasin ominaisuudet. Joillakin sekoitussuhteilla (3:3) vesilasit vaativat C lämpötilan liuetakseen. /22/ Hiekan lämpötila vaikuttaa oleellisesti kovettumisnopeuteen, koska se haihduttaa vettä. Keernan valmistukseen tarkoitettuun hiekkaan riittää tavallisesti 3,0-3,5 %:n vesilasilisäys, sekä tyhjennettävyyttä parantavia

20 16 aineita enintään 0,8-1,8 %. Kosteassa ympäristössä kovetetulla hiekalla on taipumus imeä kosteutta itseensä, jolloin sen lujuus laskee. Tämän takia vesilasikeernojen varastoitavuus on yleensä huono. /3/ Vesilasihiekkojen juoksevuus on huono viskoosin vesilasin takia. Niillä on myös huono luhistuvuus valun jälkeen ja lujuuden lasku varastoidessa, sillä kovettunut vesilasihiekka sitoo itseensä kosteutta kosteassa ympäristössä. Vesilasikeernojen valmistaminen on ympäristöystävällistä, sillä niissä ei käytetä terveydelle tai ympäristölle haitallisia aineita. Tarvittavat aineet ovat lisäksi edullisia, menetelmä on nopea ja ylijäämähiekka on haitatonta. /3/ Toisaalta käytetyn hiekan elvytettävyys on huono. Murskauksella elvytettyä hiekkaa voidaan käyttää enintään % uudelleen suhteessa uuteen hiekkaan. /2/ Vesilasihiekat sopivat sekä keernojen että muottien valmistukseen ja niitä voidaan käyttää kaikkia valumetalleja valettaessa. Saavutettava hiekan puristuslujuus on parhaimmillaan luokkaa N/cm 2. /2/ 5.1 Vesilasihiekkojen nopeutettu kovettuminen lämpimän ilman avulla Lämpöavusteisella kovetuksella saavutettavat hiekan lujuudet ovat lähes kolminkertaiset hiilidioksidilla tai esterillä saavutettaviin lujuuksiin verrattuna. /2/ Vesilasihiekkojen nopeutettua kovettumista kuumailma - puhalluksen avulla on tutkittu varsinkin Tanskassa ja Isossa - Britanniassa useampaan otteeseen lukujen vaihteessa. Ympäristöystävällisenä vaihtoehtona siitä on haluttu korvaaja ympäristövaikutuksiltaan ongelmallisemmille menetelmille. Aikaisemmin kuumailmapuhalluksen avulla kovetettavien vesilasihiekkojen ongelmia ovat olleet suhteellisen pitkät lämpökäsittelyajat. Tehdyissä kokeissa käytettiin mm sylinterimäistä koekappaletta, jonka läpi johdettiin C ilmaa. Kokeissa on todettu, että puhallusajalla sekuntia ja virtauksella 550 l/min saavutetaan todella hyviä lujuuksia käyttämällä ainoastaan 1 % sideainetta. Minimi ilmamäärän todettiin olevan 0,5 m 3 per kilogramma hiekkaa. Lisäksi saatiin hyvä pinnanlaatu ja tyhjennettävyys. Minimilämpökäsittelyaika hyvän lujuuden saavuttamiseksi 100 C asteisella ilmalla ja 100 l/min virtauksella oli 30 sekuntia. Metal-