8. Muottihiekat. Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto. Valulämpötiloja:

Transkriptio

1 8. Muottihiekat Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Valulämpötiloja: Valuteräkset C Valuraudat C Kupariseokset alle 1250 C Alumiiniseokset alle 800 C Sinkkiseokset alle 600 C Kertakäyttöön tarkoitetut valumuotit valmistetaan tyhjennetyistä muoteista saatavasta kiertohiekasta sekä uudesta raakahiekasta, joihin sekoitetaan rakeitten kiinnisitomiseksi sideainetta. Hiekaksi ei sovellu mikä tahansa hiekka, vaan sillä pitää olla tiettyjä ominaisuuksia. Kuva 87. Kvartsipitoisuuden vaikutus hiekan tulenkestävyyteen Puhdas kvartsihiekka on väriltään vaaleaa. Maasälpä tuo siihen ruskeaa sävyä. Määsälvän sulamispiste on 1200 C. Kvartsihiekan tulenkestävyys riippuu suuresti sen puhtaudesta (ks. kuva 87). Rautametalleja, kuten valuterästä ja valurautaa, valettaessa pitää hiekalla olla suuri tulenkestävyys. Tämä ominaisuus on kvartsihiekalla, jota käytetäänkin yleisesti rautametallien muottimateriaalina. Kvartsihiekan tulenkestävyys riippuu suuresti hiekan puhtaudesta. Teräsmuoteissa hiekan SiO 2 - eli kvartsipitoisuus pitää olla vähintään 98 %. Kuva 86. Hiekkaa suursäkeissä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-1

2 Kupari- ja alumiiniseosten muottihiekoilta ei vaadita näin suuria puhtauksia alhaisempien valulämpötilojen vuoksi. Kvartsihiekkojen lisäksi käytetään valimoissa myös muita hiekkoja erikoistarkoituksiin. Esimerkiksi kromiittihiekkaa, jota valmistetaan kromimalmia murskaamalla, käytetään rautametallien muoteissa sellaisissa kohdissa, joissa kvartsihiekan tulenkestävyys ei riitä. Kromiittihiekkaa valmistetaan myös Suomessa. Muottihiekan tulee läpäistä valun aikana syntyvät muottikaasut. Sen vuoksi hiekan raejakautuman eli rakeiden keskinäisen suuruuden pitää olla sopiva (kuva 88). Hiekan tulenkestävyyteen vaikuttaa myös valukappaleen koko. Suuret valukappaleet, joiden lämpökapasiteetti on suuri, rasittavat muottihiekkaa termisesti eli kuumentavat sitä voimakkaammin kuin pienet valukappaleet, koska hiekka huonon lämmönjohtavuutensa vuoksi ei ehdi johtaa suurta lämpömäärää kappaleen ympäriltä pois. Kuva 88 Taulukko1 Edellä mainitun kromiittihiekan hyvä tulenkestävyys perustuukin sen parempaan lämmönjohtavuuteen kvartsihiekkaan verrattuna. Kuva 89 Kuva Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-2

3 9. Sideaineet Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Rakeiden kiinnisitomiseen käytettävät sideaineet ovat yleisimmin joko luonnosta saatavia savisideaineita tai kemiallisesti kovettuvia hartsisideaineita. Savisideaineet saadaan plastisiksi sekoittamalla niihin vettä (Taulukko 1). Kostuessaan saven suomumaiset hiukkaset muodostavat pintajännitysvoimien vaikutuksesta lujia siltoja hiekkarakeiden välille (kuva 89). Sideaineen lujuutta lisätään sullomalla hiekkaseosta. Yleisin savisideaine on bentoniitti. Savisideaineita käytetään sekä tuore- että kuivahiekkamuottien valmistuksessa. Kuivahiekkamuotit kuivataan ennen valua esimerkiksi lämpöpuhaltimilla. Savisideaine ja hiekka sekoitetaan yleisimmin joko kolleri- tai speedmullor-sekoittimilla. Kollerisekoittimen pystyakselin sivuilla pyörii kaksi raskasta jyräpyörää (kuva 90). Sekoittimen pohjaa kaapivat aurat, jotka siirtävät hiekkaa jatkuvasti jyräpyörien alle. Pyörät saavat hiekkaseokseen suuren paineen, jonka ansiosta sideaine tarttuu lujasti hiekkarakenteiden pintaan. Kollerisekoittimien käyttö on vähentynyt, koska sekoitusaika on hidas, n min. Kuva 91. Kollerisekoitin Speedmullor-sekoitin muistuttaa toimintaperiaatteeltaan kollerisekoitinta, mutta se on huomattavasti nopeampi. Jyräpyöriä siinä vastaavat vaakasuorassa asennossa nopeasti pyörivät pyörät, jotka keskipakovoiman vaikutuksesta puristavat hiekkaseoksen sekoittimen seinämää vasten saaden aikaan suuren paineen (kuva 92). Kuva Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-3

4 Vastavirtasekoitin (kutsutaan myös nimillä pyörre- ja sinkosekoitin) on myös kollerityyppinen annossekoitin, jossa jyräpyörät on korvattu nopeasti pyörivillä siivillä. Lisäksi altaan pohjalla pyörii sekoitusaura, joka nostaa hiekkaa ylöspäin. Siivet, kaksi tai useampi, jotka on kiinnitetty sekoittimen kanteen, saavat aikaan tehokkaan mikrosekoittumisen. Sekoitetusta hiekasta tulee myös kuohkeaa. Sekoitusaika on samaa luokkaa kuin speedmullor-sekoittimella. Kuva 93 Kuva 94 Kuva 95 Kuvat Vastavirtasekoittimien sekoitusrakenne Sekoittimista kerrotaan enemmän luvussa Kaavausaineet. Kuva 96 esittää erään kaavaushiekan lujuuden riippuvuutta sen kosteusprosentista. Huomaa lujuuden jyrkkä väheneminen optimikosteuden ylityksen jälkeen. Lujuuden putoamisen lisäksi liiallinen kosteus aiheuttaa myös valuvikoja, kun vesi höyrystyy muotissa valun aikana. Kuva 96 Hiekkaseoksen kosteus vaikuttaa voimakkaasti sen eri ominaisuuksiin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-4

5 Oikealla kosteusprosentilla saadaan sille parhaat lujuusominaisuudet. Tottunut kaavaaja pystyy määrittämään melko tarkkaan hiekkaseoksen oikean kosteuden käsikokeen avulla. Käteen puristetun hiekkapaakun pitää katketa kauniisti keskeltä kahtia (kuva 97). Kuva 97 Muotinvalmistukseen käytettävät hartsisideaineet ovat enimmäkseen kylmähartseja. Nimitys johtuu siitä, että muotti kovettuu ilman ulkoapäin tuotua lämpöä. Hartsi kovetetaan erikoisella koveteaineella, joka sekoitetaan hiekkaan ja sideaineeseen hieman ennen muotin tai keernalaatikon täyttövaihetta. Hartsihiekat sekoitetaan joko syöttö- tai pystysekoittimilla. Syöttösekoittimessa kuiva puhdas hiekka sekä nestemäinen hartsi ja kovete syötetään sekoitusruuheen, jossa ne kulkevat hitaasti eteenpäin sekoitussiipien työntämänä. Kuva 98. Syöttösekoittimen toimintaperiaate. Sekoittunut hiekka kulkee ruuhen läpi ja putoaa suoraan kaavauskehykseen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-5

6 Kuva 99. Syöttösekoitin Suuremmissa syöttösekoittimissa saadaan ruuhen liikkumisalue suuremmaksi niveltämällä se kahdesta kohdasta. Pystysekoittimissa kuiva hiekka laitetaan putoamaan pystysuoraan sekoitinkammion läpi, jonka sisällä sideaine ja kovete levitetään hiekkaan nopeasti pyörivien siipipyörien avulla. Pystysekoittimessa sekoitinkammio jakaantuu kahteen päällekkäin olevaan osaan. Ylimmässä kammiossa hiekkaan sekoitetaan kovete, minkä jälkeen seos putoaa välipohjan lävitse alaosaan, jossa siihen sekoitetaan sideaine. Sideaine ja kovete annostellaan pumppujen avulla. Koska pystysekoittimien liikkumisalue on pieni, voidaan niitä käyttää vain pienehköjen muottien ja keernojen valmistukseen. Hartsihiekkaa ei tarvitse juuri sulloa. Ainoastaan muotin kapeat kohdat ja reunat sullotaan. Koska kovettuminen on kemiallinen reaktio, on se sitä nopeampi, mitä lämpimämpää hiekka on. Paljon käytettynä nyrkkisääntöä, jonka mukaan lämpötilan nostaminen kymmenellä asteella kiihdyttää reaktionopeuden kaksinkertaiseksi, voidaan soveltaa tässäkin (kuva 100). Hiekkaa ei saa olla sekoittimeen mennessään lämmintä, koska kovettuminen alkaisi liian aikaisin, jopa sekoittimen ruuhessa. Vastaavasti kylmässä hartsihiekan kovettuminen on hidasta. Niinpä hiekka ei kovetu ulkoa tuotuun kylmään kaavauskehykseen kiinni, minkä vuoksi muotti saattaa hajota sitä nostettaessa. Onpa sattunut tapaturmakin, kun kylmään kehykseen sullottu muottihiekka on pudonnut kaavaajan päälle Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-6

7 Kuva 100 Hiekan pitää olla puhdasta ja kuivaa. Kosteus hidastaa kovettumisreaktiota ja alentaa hiekan lujuutta (kuva 101). Sideaineina toimivat hartsit ovat yleensä joko furaani- tai fenolifuraanihartseja. Furaanihartseille käytetään kovetteena fosforihappoa H 3 PO 4 ja fenolifuraanihartseille paratolueenisufonihappoa kauppanimeltään PTS. Hartsin määrä hiekassa on noin 1 % ja kovetteen määrä % hartsin määrästä. Kovettuminen tapahtuu hapon aiheuttaman polymeroitumisreaktion avulla. Kylmähartsin kovettumisessa voidaan erottaa kolme eri vaihetta (kuva 102). Ensimmäisessä vaiheessa kovettuminen edistyy hitaasti. Toisessa vaiheessa, kun hiekan lämpötila on noussut kovettumisreaktion takia, on kovettuminen ja huomattavasti nopeampaa. Kolmannessa vaiheessa kovettuminen hidastuu jälleen. Malli irrotetaan hiekasta yleensä ensimmäisen ja toisen kovettumisvaiheen rajamailla, koska hiekka on vielä tällöin jonkin verran joustavaa. Kuvan 102 mukaan malli irrotetaan hiekasta 0,5 1 tunnin kuluttua muotin täytöstä. Kuva Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-7

8 Kuva 102. Kylmähartsihiekan kovettumisvaiheet Kuva 103. Syöttösekoitin kaavausympäristössä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-8

9 KERTAUSTEHTÄVIÄ Miten kvartsihiekan puhtaus vaikuttaa sen tulenkestävyyteen? Mitä on kromiittihiekka? Millaisissa muotin kohdissa sitä käytetään? Millä tavoin hiekan raejakautuma vaikuttaa sen kaasunläpäisevyyteen? Selvitä savisideaineen sidontamekanismi? Mitä eroavuuksia on kolleri- ja speedmullor-sekoittimilla? Mitä haittavaikutuksia on liian kostealla tuorehiekalla? Mitä haittavaikutuksia on kostealla hartsihiekalla? Erään hiekan kovettumisaika oli 18 C lämpötilassa 8 h. Mikä on kovettumisaika 28 C:een lämpötilassa? Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 8 9-9