17. Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet

Transkriptio

1 17. Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto 17.1 Hartsisideaineet Hartsisideaineet voivat olla joko kylmähartseja, kuumahartseja tai kaasuhartseja. Kylmähartsihiekat kovettuvat muottiin tai keernalaatikkoon yleensä ilman ulkoapäin tuotua lämpöä. Kuumahartsihiekat taas tarvitsevat kovettuakseen lämpöä, jotta ne saavat esimerkiksi kuumennetusta mallista tai keernalaatikosta. Kaasuhartsihiekkojen kovettuminen saadaan tapahtumaan muutamassa sekunnissa puhaltamalla sideaineellisen hiekan läpi kovetekaasua. Sideaine on sekoitettu hiekkaan ensin ja lopuksi siihen lisätään kovetekaasu. Kylmähartsihiekoissa kovettaminen saadaan aikaan kemiallisella reaktiolla sekoittamalla hiekkaan ja sideaineeseen erikoista koveteainetta vähän ennen hiekkaseoksen käyttöönottoa. Kylmä- ja kuumahartsien sideaineet ovat tavallisesti furaani- tai fenolifuraanihartseja. Kuva. Hartsia (on värillistä) sideaineletkussa Kuva. Happoa (on kirkasta) sideaineletkussa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 1

2 Furaanihartsin kovetteena käytetään fosforihappoa H 3 PO 4 ja furaanifenolihartsin kovetteena paratoluneenisulfonihappoa, jonka kauppanimike on PTS tai yhä enenevässä määrin fosforihappoa. Hartsin määrä hiekassa on noin 1% ja kovetteen määrä 20 50% hartsin määrästä. Mitä enemmän kovetetta seokseen lisätään, sitä nopeammin hartsi kovettuu. On kuitenkin syytä pysyä em. arvojen alueella, laadullisten ongelmien välttämiseksi. On huomattava kuitenkin että liiallinen kovetemäärä nopeuttaa kovettumisprosessia liikaa, ja seurauksena on muotin särmälujuuden huonontuminen (hiekka on haperoa) ja muotin laatu kärsii. Samoin liian vähäinen määrä hidastaa kovettumista ja seurauksena on muotin rikkoutumistai muodonmuutos virheitä. Myös hartsin liikamäärä vaikuttaa huonontavasti kovettumiseen kuten liian pieni kovetteen määrä. Tällöin on lisättävä kovetetta ja seurauksena on kustannusten kasvu sideaineissa, sekä liiallinen sideaineiden määrä nostaa myös nesteen määrää muotissa ja mahdollisiin kaasuvirheisiin valukappaleissa. Toisessa yleisesti käytössä olevassa kylmähartsimenetelmässä eli Alphaset- menetelmässä, sideaineena käytetään fenoliformaldehydihartsia. Se kovetetaan nestemäisellä esterillä, joka on samantyyppistä kuin vesilasi-esterimenetelmässäkin käytettävä. Esterit ovat hapon ja alkoholin reaktiotuotteita. Alphaset-esteri-menetelmässäkin ei kovettamisnopeutta säädellä kovetemäärällä vaan esterityyppiä muuttamalla. Selvää rajaa ei kylmä- ja kuumahartsien välillä ole, sillä useat hartsit sopivat käytettäväksi sekä kylmänä että kuumana. Kylmähartsin kovettumisreaktiota voidaan jouduttaa myös lämmön avulla esim. keernalaatikkoa lämmittämällä tai nestekaasulla lämmittämällä (tällöin vaaran mm. hiekan laadun vaurioittamalla esim. sen palaminen) Kuva. Kovettumisprosessi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 2

3 Kylmähartsihiekkojen kovettamisessa voidaan erottaa kolme eri vaihetta (Kuva kovettumisprosessi) jossa ensimmäisessä vaiheessa kovettuminen edistyy hitaasti. Toisessa vaiheessa se tapahtuu jo huomattavasti nopeammin. Kolmannessa vaiheessa kovettuminen jälleen hidastuu. Malli Irrotetaan hiekasta tai keerna laatikosta yleensä 1. ja 2. kovettumisvaiheen rajamailla. Hiekan pitää olla hartsisideaineita käytettäessä puhdasta ja kuivaa. Kosteus heikentää hiekkaseoksen lujuutta ja hidastaa kovettumisreaktiota. Epäpuhtaudet hiekassa, kuten pöly, kuluttavat paljon kovetetta ja tekevät onnistumisen epävarmaksi. Hiekkarakeita yhdistävä sideainesilta. pitää hiekkarakeen toisiinsa kiinnittyneenä Hiekkarakeen normaali murtuminen, rakeet irtoaavat tosistaan Liiallisen kosteuden vaikutuksesta tapahtuva murtuminen Furaanihartsia voidaan käyttää kvartsi-, kromiitti- ja zirkonihiekan sideaineena. Oliviinihiekalle se ei sovellu hiekan emäksisyyden vuoksi. Sen sijaan Alphaset-menetelmää voidaan soveltaa myös oliivihiekkaa käyttäessä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 3

4 17.2. Yhteenveto hartsihiekkojen käyttämisestä Hiekka Furaanihartsien kanssa käytettävien hiekkojen tulee olla neutraaleja tai lievästi happamia ja ehdottomasti kuivia hiekkoja. Kuva. Furaanihartsien ph-alue Kuivattujen kvartsihiekkojen jäämä-kosteus tulisi olla alle 0,1%, mielellään alle 0,03%: kosteus hidastaa hartsin kovettumista - etenkin muotin sisällä. Hiekan tulisi olla myös puhdasta humuksesta eli sen hehkutushäviön pitäisi olla alle 0,2%. Korkeampi humuspitoisuus aiheuttaa epätasaista kovettumista: muotin pinta kovettuu hyvin, mutta sisäosissa ei tapahdu kovettumista juuri lainkaan. Kuva. Humusta = humus muodostuu eloperäisten ainesten maatumisesta ja kasvien muuttumisesta kangasturpeeksi. Hiekan pölypitoisuus tulisi olla mahdollisimman alhainen. Hyvän hiekan keskiraekoko on n mm ja alle mm:n seulan läpäisevä osuus tulisi olla 0 0.2%. Pölyinen hiekka vaatii huomattavasti enemmän hartsia ja aiheuttaa epätasaista kovettumista samoin kuin humuskin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 4

5 Hartsi ja kovete Furaanihartseja sekoitetaan hiekkaan n. 0,9-1,2 % hiekan määrästä. Annostus riippuu hiekan laadusta ja vaadittavasta lujuustasosta: mitä enemmän hartsia, sitä lujempi muotti (tiettyyn rajaan saakka kuten aiemmin on mainittu). Liian suuri annostus hartsia, aiemmin mainittujen seurauksien lisäksi, vaikeuttaa muottien irrotettavuutta malleista ja lisää palamisen yhteydessä syntyviä kaasuja. Myös taloudellisista syistä hartsin annostus kannattaa säätää mahdollisimman pieneksi. Kovetteen määrä tulee olla n % hartsin määrästä, ihannearvon ollessa 33 %. Kovetemäärän lisäys vauhdittaa muottihiekan lujittumista ja mahdollistaa nopeamman irrotuksen, mutta samalla lyhentää työskentelyaikaa ja heikentää loppulujuutta. Hartsi- ja koveteannostelut tulee kalibroida (käsittää toimenpiteet, joiden avulla määritetyissä olosuhteissa saadaan tietoon mittauslaitteen säädetyt ja todellisten tulosten yhteneväisyys tai erot) määrävälein (esim. 1-2 kertaa/kk ja tarvittaessa), jotta hartsi- ja kovetesuhteet pysyvät oikeina. Kovettumisnopeus on voimakkaasti riippuvainen hiekan ja ilman lämpötiloista: + 10 ⁰C nopeuttaa kovettumisnopeuden kaksinkertaiseksi ja 10 ⁰C hidastaa esim. irrotusajan kaksinkertaiseksi. Pienten lämpötilamuutosten vaikutusta voidaan kompensoida muuttamalla kovetteen annostusta: kylmällä ilmalla nostetaan kovetteen määrää, lämpimällä kovetteen määrää pienennetään. Kovetetta ei tule lisätä yli 60 % hartsin määrästä, koska suuremmilla määrillä kovettuminen alkaa jälleen hidastua. Tällaisissa tapauksissa on kovete vaihdettava nopeampaan kovetteeseen tai hartsi korkeamman furfuryylialkoholipitoisuuden omaavaan hartsiin Hartsihiekoista Hartsisideaineet Hartsisideaineilla voidaan valmistaa sekä muotteja että keernoja. Valimoissa käytetään synteettistä hartsia, joita ovat erilaiset kaksikomponenttisten polymeeriliimojen ja kestomuovien nestemäiset polymeeriseokset. Nämä saadaan kovettumaan kemiallisen reaktion käynnistävillä kovettimilla esim. hapolla Happo. Kemiassa hapolla tarkoitetaan yhdistettä, joka pystyy luovuttamaan protonin eli vetyionin, ja emäs on vastaavasti yhdiste, joka pystyy vastaanottamaan vetyionin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 5

6 Hartsisideaineilla kovettuminen tapahtuu, kun hiekan läpi puhalletaan kovetinkaasua tai ne ovat itsekovettuvia, jolloin kovettuminen perustuu kahden tai useamman hiekassa olevan aineen keskinäiseen reaktioon. Kuumahartsihiekat taas tarvitsevat kovettuakseen lämpöä, jotta ne saavat esimerkiksi kuumennetusta mallista tai keernalaatikosta. Useimmat hartsit sopivat käytettäviksi sekä kylmä- että kuumahartsimenetelmissä. Käytetympiä ovat energiaa säästävät kylmähartsimenetelmät. Hartsien toimittajat toimittavat hartsit valimoille ns. esikondensaatteina, jolloin ne ovat nestemäisiä tai liuotettuja orgaanisiin liuottimiin. Kylmä- ja kuumahartsien sideaineet ovat tavallisesti furaani- tai fenolifuraanihartseja. Niiden kovettaminen saadaan aikaan kemiallisella reaktiolla, sekoittamalla hiekkaan ja sideaineeseen erityistä koveteainetta vähän ennen hiekkaseoksen käyttöönottoa erilaisiin hiekkoihin sopivia määriä. Valussa olleeseen kiertohiekkaan vähemmän, jopa vain 0,6% hiekan määrästä ja uuteen kvartsihiekkaan enemmän n. 1% ja kromiittihiekkaan 1,3-1,5%. Eri seoksiin uuden ja vanhan seoksissa oma sekoitusmäärät sekä muotin kohteeseen tai vaiheeseen sopivat seokset. AlpHaset- kylmähartsimenetelmässä sideaineena käytetään fenoliformaldehydihartsia. Se kovetetaan nestemäisellä esterillä, joka on samantyyppistä kuin vesilasi-esterimenetelmässäkin käytettävä. Esterit ovat hapon ja alkoholin reaktiotuotteita. AlpHaset-esterimenetelmässä kovettamisnopeutta ei säädetä kovetemäärällä, vaan kovete (esteri) tyyppiä (seos) muuttamalla. Kuva. AlpHaset-hiekka, väriltään punertavaa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 6

7 Käytännön näkökohtia Seuraavassa esitellään sideaineiden käyttöön liittyviä näkökohtia joita on otettava huomioon ennen työskentelyä ja työskennellessä Orgaanisille sideaineille on tyypillistä, että ne hajoavat lämmönvaikutuksesta (valulämpötiloissa), joten muotit on helppo tyhjentää ja keernat poistaa. Sideaineen määrää lisäämällä muotin/keernan lujuus kasvaa lineaarisesti sideainepitoisuuksilla 1,0-1,75%. Hartsin viskositeetti kasvaa voimakkaasti lämpötilan laskiessa. Sillä on vaikutusta ruuvisekoittimen pumpun toimintaan, jolloin sen pumppaaman hartsin määrä saattaa pienentyä. Kovetteet eivät ole viskositeetiltaan yhtä lämpötilariippuvaisia kuin hartsit. Lämpötila vaikuttaa kuitenkin voimakkaasti kovettumisnopeuteen (Katso kuva kovettumisreaktio). Valmistajat antavat ohjeita miten ja kuinka kauan hartseja ja kovetteita voi säilyttää, jotta niiden ominaisuudet pysyvät tasalaatuisina. Hiekkaseokset, kuten hartsihiekat, on valmistettava aivan kuivasta hiekasta, sillä suuri kosteuspitoisuus huonontaa saavutettavaa loppulujuutta ja hidastaa kovettumisreaktioita, katso kuva Lujuuden kehittymien happokovetteisilla kylmähartseilla. Kuva. Kovettumisreaktio Kuva. Lujuuden kehittymien happokovetteisilla kylmähartseilla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 7

8 Hartsien komponentteina käytetään mm. furfuryylialkoholia, fenolia, ureaa, formaldehydiä ja isosyanaatteja. Typpipitoiset hartsit (urea sisältää runsaasti typpeä) jäävät lujuudessa huomattavasti muita hartsityyppejä huonommiksi. Lisäksi ureapitoiset hartsit kehittävät runsaasti kaasuja niiden huonon kuumankestävyyden takia. Siksi hartsin typpipitoisuutta pyritään rajoittamaan. Ureaa sisältävien hartsien käytön tulee olla rajoitettua erityisesti teräksen valussa, koska suuri typpipitoisuus voi aiheuttaa kapillaarihuokosia teräsvaluun. Kovettimina (jotka voivat olla joko nesteitä tai kaasuja) toimivat mm. fosfori-, paratolueenisulfonihappo ja esterit. Suomessa käytetään ilmasto-olosuhteiden takia yleensä 75- prosenttista fosforihappoa, jonka kiteytyminen alkaa -18 C:ssa (esim. 85-prosenttinen fosforihappo kiteytyy jo +22 C:een lämpötilassa). Fosforihappo on edullista. Kiertohiekoissa se pyrkii kuitenkin rikastumaan, jolloin se vaikeuttaa kovettumisreaktion säätöä. Siksi usein uudelleenkäytettävissä furaanihiekoissa käytetäänkin fosforihapon korjaavana paratolueenisulfonihappoa, joka hajoaa valussa eikä rikastu kuten fosforihappo. Paratolueenisulfonihappoa käytetään yleisimmin 65-prosenttisena liuoksena (mutta sitä on saatavana myös kiinteänä aineena, joka sulaa 52 C:ssa). Katalyytit ovat aineita, jotka eivät itse osallistu kemialliseen reaktioon, mutta nopeuttavat sitä. Hartsisideaineiden katalyytteinä käytetään amiineja ja rikkidioksidikaasua. Amiineja käytetään katalyytteinä isosyanaattisideaineiden yhteydessä. Hartsisideaineilla kovettumisreaktio voidaan saada käyntiin kiihdykkeen (kaasu tai lämpö) vaikutuksesta. Kovettuminen voi tapahtuu myös itsestään jolloin kovettuminen perustuu kahden tai useamman hiekassa olevan aineen keskinäiseen reaktioon. Kovettuminen perustuu kahteen erityyppiseen reaktioon. Polykondensaatio on reaktio, jossa poistuu jotain ainetta kuten vettä tai ammoniakkia. Tällä tavalla reagoivia hartseja ovat esim. fenoliformaldehydi- ja furaanihartsit. Polykondensoitumisreaktio saadaan aikaan happokovetteiden avulla tai kuumentamalla sideaineseosta. Kovettuminen edistyy vain sitä mukaa kun reaktiossa sivutuotteena syntyvä vesi saadaan poistumaan. Tästä syystä hiekkaseoksen alkukosteus on pyrittävä saamaan mahdollisimman pieneksi välttämällä kosteaa hiekkaa tai kovetteissa suurta vesipitoisuutta. Myös ilman pieni suhteellinen kosteus edistää veden haihtumista ja lisää reaktionopeutta. Polyadditioreaktio tapahtuu huoneenlämpötilassa joko itsestään tai puhaltamalla seoksen lävitse katalyyttisesti vaikuttavaa emäksistä kaasua. Tällä tavalla reagoivia hartseja ovat esim. uretaanihartsit Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 8

9 Polyadditioreaktiot ovat nopeita, koska niissä ei synny reaktiota estäviä sivutuotteita eivätkä ne ole riippuvia ympäristöolosuhteista. Hiekkaseosten kovettuminen tapahtuu kaikkialla samanaikaisesti. Polyadditioreaktioita kiihdyttävät emäksiset aineet. Happamet aineet, joita on esim. hapoilla kovetetuissa kiertohiekoissa, hidastavat reaktioita. Sen sijaan emäksiset oliviini- tai kromiittihiekat voivat kiihdyttää reaktioita niin paljon, että se on otettava huomioon katalyyttimäärässä. Kuva. Ilman suhteellisen kosteuden vaikutus furaanihartsihiekan taivutuslujuuteen Kehitettyjä kylmähartseja Teräsvaluja varten on kehitetty typettömiä kylmähartseja.tavanomaiset hartsit sisältävät furfuryylialkoholia, karbamia sekä formaldehydiä. Typpeä tulee karbamista. Hartsissa joka sisältää 75% furfuryylialkoholia, on noin 3% typpeä. Typen pitoisuutta voidaan vähentää nostamalla furfuryylialkoholin pitoisuus 90%:iin ja ylikin. Korkeasta furfuryylipitoisuudesta aiheutuu taas eräitä haittoja: hartsien reaktiivisuus nousee voimakkaasti (huom! lämmin vuodenaika) hartseista tulee hauraita Kehitetyillä typettömilla hartseilla (esim. 70 % furfuryylialkoholia) saavutetaan monta etua: joustavuus irrotettaessa riittävä lujuus pienillä hartsimäärillä pieni kuumarepeämätaipumus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 9

10 erittäin hyvä hiekan juoksevuus vähäiset päästöt kaavausvaiheessa Kylmähartsisideaineissa käytettäessä kovetteena sulfonihappoja, voi niistä olla osatekijä kaasuvirheiden syntyyn. Niistä irtoaa korkeissa lämpötiloissa SO2-kaasua. Kaasua virtaa myös muotin tai keernan ja valukappaleen rajapintaan. Hiekan läpäisevyys vaikuttaa tähän virtaukseen. Hiekan pintaan päästyään kaasu läpäisee lopuksi peitosteen ja joutuu valumetalliin. Tätä ongelmaa voidaan vähentää: pienennetään hiekka järjestelmän rikkipitoisuutta lisätään hartsin reaktiivisuutta, jotta tarvitaan vähemmän kovetetta kiinnitetään huomioita hiekan elvytykseen, koska hienoa aines sisältää plajon rikkiä ja se vaatii lisää hartsin ja kovetteen määrää Hartsin vastaanotto Hartsi toimitetaan toimittajalta asiakkaalle tilatun sopimuksen mukaan. Sopimuksessa voidaan määritellä hartsista otettavat kokeet ym. joita ovat mm. analyysi ja hartsin ominaisuudet. Seuraavassa esitetään tyypillisimpiä tällaisia hartsin analyysitodistuksessa esiintyviä tuloksia esimerkin omaisesti. Tuote: XXXX Konttinumero: XXXX pvm Panosnumero xxxxxxxx xxxx Analyysitulos: spesifikaatio Ulkonäkö: OK tumman ruskea Lämpötila: 24⁰C ⁰C ph: ,0 12,5 Viskositeetti 25⁰C: 76 mpas < 200 mpas Tiheys25/26⁰C: 1,22 g/cm² 1,21 1,23 Kuiva-aine (1g/3 h/105⁰c): Geeliaika: 340 s Liiman ikä Puristuslujuus N/mm² 1 tunti 2 tuntia 24 tuntia 0,89 1,4 3,5 9vrk Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 10

11 17.4 Alphaset-menetelmä AlpHaset- menetelmä on esterikovetteiseen alkaaliseen fenolihartsiin perustuva itsestään kovettuva kaavaus- ja keernanvalmistusmenetelmä. Hartsi on vesi- ja teollisuuspohjainen, alkalinen sideaine, ja väri tummanpunainen AlpHaset- hartseissa on vapaata fenolia ja vapaata formaldehydiä yhteensä alle 1%. AlpHaset ei sisällä rikkiä. AlpHaset-sideainejärjestelmälle on tärkeää, että käytettävä hiekka on mahdollisimman pölytöntä. Hiekan sekoitusvaiheessa lisätään aina AlpHaset -kovete ennen hartsia. AlpHaset -kovetteen lisäysmäärä lasketaan hartsimäärän perusteella ja kovetteen määrän tulisi olla 20 % hartsimäärästä. Hartsin määrä hiekasta on kaavauksessa 0,9-1,5 % ja keernanvalmistuksessa 1,1-1,6 %. AlpHaset-menetelmässä on hiekan lämpötilan oltava mieluummin alle 30 ⁰C. Kylmä hiekka hidastaa hiekan kovettumista jonkin verran, mutta käyttämällä nopeampia kovetteita voidaan kovettuminen varmistaa myös mikäli hiekan lämpötila on lähellä 0 ⁰C. Elvytetyn AlpHaset-hiekan on oltava mahdollisimman pölytöntä ja tasalämpöistä. Kuva. AlpHaset-muotti Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 11

12 Kaavaus ja keernan valmistus Hiekka sekoitetaan mieluiten jatkuvatoimisessa sekoittimessa, joka tyhjenee hiekasta sekoituksen jälkeen. Sekoitusajan pitäisi olla mahdollisimman lyhyt. Hiekka ei juurikaan tartu sekoitussiipiin, ja sekoittimen puhdistus on yleensä helppoa, varsinkin jos sideainemäärät ovat alhaiset. Kuva. Sekoitussiipiä puhdistetaan paineilmavasaralla Hiekan sekoitus- ja täyttövaiheen aikana ei juuri vapaudu kaasuja, varsinkaan jos sideainemäärät ovat alhaiset, joten aktiivinen käsisullonta ja hiekanohjaus on mahdollista. Vastasekoitettu hiekka on hyvin juoksevaa. Hiekan sullomiseen ei tarvita hiekantäristystä. Usein kuitenkin varmistetaan varsinkin pullakaavauksessa hiekan sullonta pienellä täristyksellä (vibra), kun suurin osa hiekasta on laskettu. Kuva. Pullamuotti Kuva. Kovete- ja hartsiastiat Hiekan kovettumisnopeus säädetään kovetetyypin avulla, määrän pysyessä vakiona. Kaavaajalla olisi hyvä olla käytettävissä kaksi erinopeuksista AlpHaset kovetetta, joita yhdistelemällä saadaan useita eri nopeusversioilla. Hiekan työskentelyaika riippuu AlpHaset -kovetteesta, hiekan lämpötilasta ja pölypitoisuudesta, sekä elvytetyn hiekan määrästä. Mikäli hiekka kovettuu liian nopeasti, on siirryttävä hitaampaan kovetteeseen, sekä tarkistettava hiekan lämpötila ja pölypitoisuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 12

13 Mallien ja keernalaatikoiden irrotus on erittäin helppoa. Tämä AlpHaset-menetelmän erikoispiirre, että mallivarusteet voidaan irrottaa vaivatta riippumatta siitä, onko hiekan kovettuminen alkuvaiheessa vai jo loppuun kovettunut. Tämä tekee AlpHaset- menetelmän hyvin joustavaksi ja sopivaksi vaativaan kaavaukseen. Sideaine ja kovetteet eivät pehmennä tai vahingoita mallin pintaa tai mallilakkaa. Jos sideainemäärät ovat korkeat, kuten keernanvalmistuksessa, pitäisi käyttää esim. Alupastairrotusainetta. Helppo irrotus säästää mallivarusteita ja aikaansaa virheettömän muotinpuoliskon, jota ei tarvitse paikata, sekä mahdollistaa mallinvedon tavanomaista pienemmillä hiekanlujuuksilla. Näin säästetään aikaa ja nopeutetaan kaavausta sekä keernanvalmistusta. Mallinvedon yhteydessä sideaine on niin pitkälle verkkoutunut, etteivät peitosteen liuotinaineet pysty liuottamaan sideainetta uudestaan. Näin peitostus voidaan tehdä heti mallinvedon jälkeen riippumatta siitä, käytetäänkö vesi- vai alkoholiohenteisia peitosteita. Kuva. AlpHaset-keernan peitosteen polttaminen Peitosteen poltossa syntyvä lämpö lujittaa muotin pintakerrosta huomattavasti. AlpHaset-menetelmä soveltuu erinomaisen hyvin valutuspeitostukseen. Peitostus voidaan tehdä heti mallin irroituksen jälkeen. Peitoste ankkuroituu hiekkaan hyvin ja peitostekerros jää nopeassakin valutuspeitostuksessa riittävän paksuksi. Suuria pintoja peitostettaessa on varottava että peitostettavan alueen alareunojen peitostekerros ei kasva liian paksuksi. Kevyessä rauta- ja metallivalussa voidaan usein peitostus jättää kokonaan pois. Tällöin joudutaan kuitenkin käyttämään hienoa kvartsihiekkaa, jonka keskimääräinen raekoko on 0,20-0,24 mm, ja tehokasta tärysullontaa. Muottien ja keernojen varastointiaika ei ole rajoitettu, kovettuva tai kovettunut hiekka ei ole hygroskooppinen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 13

14 7.4.2 AlpHaset- hartsin käsittely ja varastointi AlpHaset hartsia käsiteltäessä on käytettävä suojavälineitä kuten käsineitä ja suojalaseja. Mikäli hartsia joutuu silmiin, on silmät huuhdeltava välittömästi runsaalla vesimäärällä. Hartsin alkaalisuuden takia hartsi voidaan hyvin varastoida hiiliterässäiliöihin. Kevytmetalleja, kuten alumiinia ei saisi käyttää suoraan AlpHaset- hartsien kanssa esim. armatuureissa. Alkalisuus liuottaa ajan mittaan alumiinia, jolloin vuotoja voi esiintyä AlpHaset hartsin fysikaaliset ominaisuudet Hartsi on vesi-ja teollisuuspohjainen, alkalinen sideaine, jonka ominaispaino (esim. AlpHaset TPA 48) 1,22 kg/dm³ ja väri tummanpunainen. Hartsin viskositeetti on 80 cp.tä. Varastointiaika valmistuksen jälkeen on n. 6kk, mikäli varastointilämpötila on n. 20 ºC. Sen jäätymispiste on n. -20ºC ja syttymispiste yli 60ºC. Hartsin vanhetessa reaktiivisuus ja viskositeetti nousevat. AlpHaset kovetteet ovat estereiden (ovat orgaanisia yhdisteitä jotka ovat muodostuneet epäorgaanisesta tai orgaanisesta haposta), laktonien (orgaanisessa kemiassa syklinen (rengasrakenteinen) esteri) ja karbonaattien(ioniyhdisteitä, hiilihapon suoloja) sekoituksia AlpHaset- hartsin kovetteiden ominaisuudet. Ominaisuudet voivat vaihdella sen mukaan, kuinka nopeaksi on kovettumisaika suunniteltu. Ominaisuus Arvo Väri värittömiä, kullanvivahteisia Syttymispiste < 100 Varastoaika 20ºC (vuosi) 1 Viskositeetti, 25ºC (cp) 10 Ominaispaino (kg/dm³) 1,19-1,11 Jäätymispiste (ºC) -40 Mallinvetoaika, 20ºC (min) ~ Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 14

15 7.4.5 AlpHaset sideaineinformaatioita AlpHaset -kovetteet ovat tehokkaita liuotinaineita, jotka mm. turvottavat useita kumilaatuja ja pehmentävät PVC -muovia. Sopivia materiaaleja varastosäiliöissä ja armatuureissa ovat teräs, kaikki metallit, polypropyleenimuovi, nylon, teflon ja EPDM-kumi. AlpHaset -kovetteilla on ainakin yhden vuoden varastointiaika ja jäätymispiste on 40 ⁰C. Osa - AlpHaset kovitteista on luokiteltu haitallisiksi. Käytetyt varoituslausekkeet ovat R22, R36 ja R43 kovetteesta riippuen. R22: Terveydelle haitallista nieltynä. R36: Ärsyttää silmiä ja R43: Ihokosketus voi aiheuttaa herkistymistä Alphaset-hartsin ja -kovetteen määrät ja hiekan lujuus Poikkeustilanteissa kovetteen määriä on lisättävä, kuten esim. erittäin hienot tai pölypitoiset hiekat voivat vaatia jopa 25 % AlpHaset -kovetetta optiolujuusarvojen saavuttamiseksi. Aiemmin esitettyjen hartsin määrä hiekasta kaavauksessa on 0,9-1,5 % ja keernanvalmistuksessa 1,1-1,6 %. Näillä sideainearvoilla vastaavat taivutuslujuusarvot hyvällä kvartsihiekalla ovat N/cm² AlpHaset -raakahiekalle asetettavat vaatimukset Pölyttömyysvaatimuksen lisäksi muuten sideainejärjestelmä on verraten tunnoton raakahiekalle. Parhaimmat lujuusarvot saavutetaan esim. uudella belgialaisella kvartsihiekalla. Viasveden alueen hiekat ovat rauta- ja metallivaluun sopivia raakahiekkoja. AlpHaset hiekalla on syytä kiinnittää erityistä huomiota sen pölypitoisuuteen ja raekokoon. Yleensä pyritään käyttämään hiekkoja, joiden keskimääräinen raekoko on 0, mm. AlpHaset- sideainejärjestelmä soveltuu erityisen hyvin myös neutraali-emäksisille raakahiekoille, kuten kromiitti-, oliviini- ja zirkonihiekoille. Suomalainen kromiittihiekka, jonka haponkulutusluku on korkea, soveltuu emäksisenä hyvin raakahiekaksi. Kuva: Emäksisyys Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 15

16 Kromiittihiekan alhainen lämpökapasiteetti yhdistettynä korkeaan lämmönjohtavuuteen tekee kromiittihiekan hyvin soveltuvaksi mm. moniin teräsvalussa esiintyviin vaikeisiin kohtiin. Kromiittihiekkaa voidaan AlpHaset menetelmässä vahvamagneettisesti erottaa kiertohiekasta ja käyttää uudelleen uuteen kromiittihiekkaan sekoitettuna. Toisaalta siirtyminen AlpHasetmenetelmän käyttöön muista hartsimenetelmistä on poikkeuksitta vähentänyt kromiittihiekan käyttötarvetta Elvytetylle AlpHaset -hiekalle asetettavat vaatimukset Elvytetyn AlpHaset-hiekan osuus on yleensä kaavauksessa % ja keernanvalmistuksessa 0 60 %. Elvytetyn hiekan hehkutushäviötä on seurattava. Normaali hehkutushäviö elvytetyssä hiekassa on 0,8 1,5 %. Hehkutushäviö ei saisi ainakaan teräsvalussa ylittää 2,0 %: tia. Tätä suurempi alkalimäärä hiekassa voi huonontaa saavutettavia hiekan lujuusarvoja, koska mm. hiekan työskentelyaika voi jäädä lyhyeksi. Elvytetty happokovetteinen hartsihiekka on yleensä lähes neutraalia ja sitä voidaan käyttää raakahiekkana AlpHaset-menetelmässä, kuitenkin siten, ettei happokovetteisen hiekan osuus ylitä 50 %:tia. Menetelmässä voidaan käyttää vesilisäystä jolla saadaan liotettua hiekkajäämiä pois. Tällä tavoin hiekan kierrätettävyys lisääntyy. Kuva. Sekoitinruuheen voidaan johtaa vettä hanan avulla esim. ko aukon kautta UUTTA HIEKKAA OLTAVA n. 30%, ELI KIERRÄTETTÄVYYS HUONOMPI KUIN FURAANIHIEKALLA Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 16

17 7.4.9 AlpHaset- hiekan kovettumiseen vaikuttavia tekijöitä AlpHaset hartsin määrä ei vaikuta suuresti hiekan kovettumisnopeuteen, eikä myös kovetteen määrään, mikäli kovetetta on 20 % tai enemmän hartsin määrästä. Hiekan lämpötilan vaikutus on huomattavasti pienempi kuin esim. happokovetteisissa - menetelmissä, kuten furaani - menetelmässä. Myös hiekan läpikovettuminen on hyvä, vaikka hiekka olisi kylmää. AlpHaset -menetelmä soveltuu siten erityisen hyvin kylmiin olosuhteisiin. Hiekan pölyllä voi olla huomattava vaikutus AlpHaset- hiekan kovettumiseen ja syntyviin hiekanlujuusarvoihin. Hiekassa oleva pöly voidaan jakaa kahteen luokkaan: alkaliseen fenohartsiin liukeneva pöly ja hartsiin liukenematon pöly. Alkaliseen fenolihartsiin liukenevan pölyn muodostavat lähinnä alkaliset metallisuolat, kuten kalium- ja natriumasetaatit, -karbonaatit ja -silikaatit. Nämä yhdisteet syntyvät mm. AlpHasethartsin termisen hajoamisen yhteydessä lämpötila-alueella ⁰C. Metallisuolat liukenevat uuteen AlpHaset-hartsiin ja inhiboivat sen kovettumista. Tästä johtuen hiekan työskentelyaika jää lyhyeksi ja loppulujuus alhaiseksi. Varsinkin kaliumpohjaiset metallisuolat ovat hyvin liukoisia, josta syystä on siirrytty natriumpohjaisten hartsien käyttöön. Natriumpohjaisten metallisuolojen liukoisuus on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumsuolojen. Näin voidaan natriumpohjaisten AlpHaset- hartsien avulla aikaansaada huomattavasti korkeampia hiekan lujuusarvoja mekaanisesti elvytetyissä hiekoissa kuin kaliumpohjaisilla hartseilla. Alkaliseen fenolihartsiin liukenematon pöly, kuten hiekan luontainen pöly, sulankäsittelyssä ja valussa käytetyt apuaineet sekä yleensä valimohiekassa esiintyvä inerttipöly, lisäävät AlpHasethartsin ja varsinkin kovetteen lisäystarvetta, mutta eivät häiritse hiekan kovettumista yhtä paljon kuin hartsiin liukeneva pöly. Pölynpoisto, sekä uudesta, että varsinkin mekaanisesti elvytetystä AlpHaset-hiekasta, on siten perusedellytys hyvien hiekanlujuusarvojen, kuten taivutus- ja särmälujuusarvojen saavuttamiseksi. AlpHaset-kaavauksessa käytetään usein jonkin verran hienompaa hiekkaa kuin muilla menetelmillä. Näin kovetetun hiekan kaasunläpäisevyys on vastaavasti alhaisempi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 17

18 AlpHaset kaasujen läpäisevyys Muottiontelon ilman ja valussa syntyvien kaasujen poispääsyn varmistamiseksi on muotin yläpuolisko AlpHaset-kaavauksessa varustettava riittävillä ilmanpoistoreillä tai aukoilla. Kaasujenmuodotus tapahtuu valun aikana hitaammin ja myöhemmin kuin muilla hartsimenetelmillä. Tämä on edullista ajatellen kaasupohjaisten valuvirheiden syntymistä, eli syntyneet valukaasut eivät pääse muodostamaan esim. kaasurakkulavirheitä valukappaleen pintaan. Hiekka hajoaa valun, varsinkin rauta- ja teräsvalun jälkeen termisesti kappaleen ympäriltä, joten muottien ja keernojen tyhjennys on helppoa. Kuva. Kaasu poistuu valussa muotista ja palaa muotin pinnalla AlpHaset- hiekan elvytys Hiekka voidaan elvyttää tavanomaisin keinoin. Hiekka on helposti murskattavissa, jolloin hiekankäsittelyn yhteydessä syntyy paljon pölyä. Pölynerotus on mitoitettava riittävän tehokkaaksi, samoin hiekanjäähdytys. Hiekkaan valun yhteydessä syntyvät alkaliset metallisuolat ovat pölymäisinä partikkeleina jäännöshartsikalvossa. Tehokas hiertoelvytys ja voimakas pölynpoisto poistavat metallisuolojen jäänteet ja luovat perusedellytykset hyvien hiekanlujuusarvojen aikaansaamiseksi elvytetyllä hiekalla. Hiekanelvytyksessä vapautuva pöly sisältää paljon lämpöenergiaa.on myös olemassa vaara että laskeutunut pöly syttyy palamaan ja tällöin leviää palo helposti. Elvytyslaitoksen pölyiset tilat on imuroitava säännöllisesti. Varsinkin kaapelihyllyjä on puhdistettava irtopölystä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 18

19 AlpHaset hiekka ja pinnanlaatu sekä valuvirheet AlpHaset-menetelmä on tullut tutuksi siitä, että valukappaleiden pinnanlaatu on hyvä, sekä metalli-, rauta-, että vaativissa teräsvaluissa. Hyvään pinnanlaatuun ja vähäiseen puhdistustarpeeseen vaikuttavat useat tekijät. Kuva. Valunpuhdistusta penkkihiomakoneella Hyvä hiekan juoksevuus täyttövaiheen aikana, helppo mallivarusteiden irrotus, sekä erinomainen soveltuvuus valutuspeitokseen luovat erinomaiset edellytykset hyvien pinnanlaatujen aikaansaamiseksi. Tämän ansioista ei hiekanpinta rikkoudu, eikä näin edesauta metallin tunkeutumaa hiekkaa. AlpHaset-sideainejärjestelmä ei sisällä metallin pintajännitystä alentavaa rikkiä. Metallin tunkeutuminen hiekkan on varsinkin peitostetuissa muoteissa harvinaista. Kuva. Valukappaleen pinnassa ei pureutumavirhetttä Kuva. Kiinnipureutunutta hiekkaa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 19

20 AlpHaset-sideainejärjestelmälle ovat ominaisia tietyt erikoispiirteet, joita ei tavata muissa kylmänä kovettuvissa sideainejärjestelmissä. Kun sulan metallin vaikutuksesta muotin pintakerroksen lämpötila nousee heti kaadon alettua, tapahtuu pintahiekan lämpökovettumista sideaineen termisen verkkoutumisen ansiosta. Pintakerroksen hiekanlujuus voi jopa kaksinkertaistua ennen kuin hartsisidoksen terminen hajoaminen alkaa. Tämän pintakovettumisen seurauksena esiintyy harvoin esim. täyttöjärjestelmän hiekan huuhtoumavirheitä. Kuva. Hiekkahuuhtoutumaa eroosio Tämä ilmiö on myös syynä siihen, että peitostuksen voi jättää pois joissain tapauksissa kevyessä rauta- ja varsinkin metallivalussa. Lämpötilan noustessa muotin ja keernan pinta lujittuu sideaineen termisen verkkoutumisen vaikutuksesta, kunnes sideaine vähitellen muuttuu plastiseksi ennen sen asteista termistä hajoamista ja lujuuden menetystä. Muotin pintakerroksen plastisuus varsinkin korkeammissa lämpötiloissa, kuten teräsvalussa, johtaa siihen että valukappaleiden repeämävirhealttius pienenee ja voidaan sanoa että joissakin valimoissa ne ovat jopa harvinaisia. Kuva Repeämävirhe leikkauskuva Kuva. Repeämä valukappaleen pinnalla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 20

21 AlpHaset- sideaineet ja kovetteet eivät kehitä hajotessaan kiiltohiiltä. Näin niukkahiilisten teräslaatujen pintahiilettymiselle ei ole juuri lainkaan edellytyksiä. Sideainejärjestelmän erittäin alhainen typpitaso yhdistettynä hitaaseen kaasunkehitykseen valun jälkeen vähentää, selvästi kaasurakkulavirheiden syntyä kappaleiden pintakerroksissa AlpHaset-työympäristönäkökohdat AlpHaset- hartsin vapaa formaldehydimäärä on alle 0,1 %. Hiekansekoituksen ja kaavauksen yhteydessä ei vapaudu formaldehydiä, koska hartsi kykenee sitomaan tämän. Myös valun yhteydessä vapautuva vapaa formaldehydimäärä on hyvin vähäinen. Hiekan nopea kovettuminen voidaan saada aikaan alhaisilla hartsi- ja kovetelisäyksillä, eikä lisää formaldehydin emissiota kaavauksessa ja valun jälkeen. AlpHaset-hartsi ja -kovete eivät sisällä rikkiä. Näin ollen ovat valunjälkeiset hiekassa syntyvät kaasut vapaat rikkiyhdisteistä. AlpHaset- menetelmä soveltuu erinomaisen hyvin vesipohjaisten peitosteiden käyttöön. Varsinkin teräsvalussa mahdollistavat uudet korkeakiintoaine zirkonivesipeitosteet yhdistettynä tehokkaaseen uunikuivaukseen, mahdollistavat muottipuoliskojen kuivausaikoja, jotka alittavat 15 min. Mahdolliset AlpHaset - hartsiroiskeet ovat kovettumattomia ja ne ovat veden avulla helppo poistaa. Hartsi itse toimii alkalisuutensa takia niin kuin pesuaine. Myös hiekansekoittimien kalibrointi ja puhdistus on vaivatonta. Valukappaleiden vähäinen puhdistustarve ja varsinkin teräsvalussa, sekä valukappaleiden pienempi hitsaustarve muihin menetelmiin verrattuna myötävaikuttavat puhdistuksen nopeuteen ja helppouteen. AlpHaset-hartsin vapaa fenolimäärä on hyvin alhainen eli n. 0,5 %. Kovettuessaan joko kovetteen vaikutuksesta tai ilmakuivauksella hartsi verkkoutuu ja muuttuu veteen liukenemattomaksi, jolloin myöskään vapaa fenoli ei voi liueta esim. kaatopaikalle viedystä jätehiekasta. Elvytetystä AlpHaset-hiekasta, joka on viety kaatopaikalle, on mitattu vapaan fenolin uutosarvoja, jotka ovat olleet alle 5 mg/l. AlpHaset -jätehiekka on luokiteltu vaarattomaksi jätteeksi ja sitä voidaan viedä kaatopaikalle. Valun jälkeen sideaineesta vapautuvat häkämäärät ovat muita hartsimenetelmiä pienemmät. Sideaineen hitaan termisen hajoamisen takia muodostuva häkä sekoittuu vähitellen ympäröivään ilmaan, ja mitattavat häkäpitoisuudet jäävät vastaavasti alhaisiksi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 21

22 AlpHaset teräsvalussa Menetelmää käytetään sekä kehyksellisessä, että kehyksettömässä kaavauksessa. Kappalekoot vaihtelevat muutamasta grammasta 200 tonniin asti. AlpHaset- menetelmä on mahdollistanut ns. pullakaavaustekniikan käyttöönoton myös keskiraskaassa ja raskaassa teräsvalussa. Suurimmat kaavatut pullapuoliskot ovat painaneet jo yli 20 t. Elvytetyn hiekan osuus muottihiekassa voi teräsvalussakin olla yli 80 %. Täytehiekka voidaan myös tehdä 100 %: seen kiertohiekkaan. Mikäli valukappaleiden pinnanlaatu on oltava erityisen hyvä, käytetään mallihiekkana ja keernoissa uutta kvartsihiekkaa tai kromiittihiekkaa. Valettavan teräksen koostumusta ei ole rajoitettu millään tavalla. AlpHaset-menetelmä soveltuu yhtä hyvin seostetuille teräslaaduille, kuten haponkestäville teräksille, nuorrutusteräksille ja mangaaniteräksille. AlpHaset on todettu tehokkaaksi, työympäristöystävälliseksi kaavaus- ja keernanvalmistusmenetelmäksi, joka mahdollistaa vaativan teräsvalun hyvällä pinnanlaadulla pienillä puhdistus- ja jälkikäsittelykustannuksilla AlpHaset rautavalussa AlpHaset-menetelmä on pitkään ollut käytössä kevyessä rautavalussa, sekä kehyksellisessä, että kehyksettömässä kaavauksessa. Varsinkin pallografiittiraudan valussa on todettu rikittömyyden edut. Pintaharmaata ei esiinny valukappaleissa. Myös seostettujen rautalaatujen valussa, kuten kromiseostetuissa raudoissa on todettu AlpHasetmenetelmän edut. Hienorakeisen hiekan käyttömahdollisuudella on saavutettu hyvät pinnanlaadut pienellä puhdistustarpeella. Keskiraskaassa ja raskaassa kaavauksessa on muotin jäykkyys, varsinkin pallografiittirautavalussa varmistettava. On kiinnitettävä huomio siihen, että kaavauksessa saavutetaan mahdollisimman suuri hiekanlujuus. Tämä edellyttää usein jokin verran suurempia sideainemääriä, sekä tehokasta hiekan sullontaa. Suurimmat AlpHaset-hiekkaan valetut rautakappaleet ovat n. 50 t. AlpHaset-menetelmän tarjoamat edut rautavalussa muihin hartsimenetelmiin verrattuna ovat helpompi mallinveto sekä mallinirrotus, aikaisempi ja nopeampi peitostus, haluttaessa nopeasti kovettuva hiekka ja aikaisen valun mahdollisuus, sekä hyvä työympäristö, sekä kaavauksen aikana, että valun jälkeen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 22

23 AlpHaset metallivalussa AlpHaset-menetelmää on käytetty myös vaativassa metallivalussa. Syyt menetelmän suosioon ovat osittain metallurgiset, osittain tuottavuuteen liittyvät. Moni metallivalimo on siirtynyt AlpHasetmenetelmän käyttöön suoraan tuorehiekkakaavauksesta. Erittäin nopea hiekan kovettuminen on mahdollistanut kaavauksen linjaprosessissa pienellä mallipari määrällä, jolloin suuremmatkin valukappalesarjat on voitu kaavata nopeasti, joka on tuorehiekkakaavauksessa mahdollista. Kuva. Muotti kaavataan Kuva: Kaavattu muotti kovettumaan Nopeammat kovetteet mahdollistavat mallinirrotuksen nopeasti (jopa muutamasta minuutista) hiekantäytön jälkeen ja mahdollistaa nopean mallin kierrätyksen ratakaavauksessa, sekä valu voidaan tehdä lähes heti kun muotti on koottu. Tuottavuus ja valun laatu on todettu hyviksi myös sekä kevytmetalli-, että pronssivalussa. Kuva. Nopean kuivumisen jälkeen muotti auki ja malli pois Kuva. Mallin päälle kehä ja uudelleen kaavaukseen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 23

24 17.5 Kaasuhartsimenetelmä Kaasuhartsimenetelmiä on kehitetty useampityyppisille sideaineille. Cold-box-menetelmässä, joka kehitettiin ensimmäisenä, käytetään sideaineena fenolihartsia ja kovetekaasuna amiinikaasua. Ennen kaasutusta reagoivat sideaine ja kovete hitaasti, minkä ansiosta hiekan käyttöikä on pitkä. Koska amiinikaasut ovat myrkyllisiä, kovetus on suoritettava suljetussa tilassa ja työpaikalla on oltava tehokas ilmanvaihto Cold-box eli ns. kaasuhartsimenetelmä Menetelmä on yhä kuumalaatikkomenetelmien ohella nopein keernanvalmistusmenetelmä. Sen etuina on nopea tahtiaika keernojen korkea lujuus joustavuus keernalaatikkomateriaalin suhteen Tästä johtuen se on siis edelleen selkeästi käytetyin menetelmä. Menetelmä on kuitenkin joutunut muuttumaan erilaisten vaatimusten kuten konstruktio-, teollisuuden ympäristön vuoksi. Kuva. Cold-box- keernan valmistuskone Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 24

25 Cold-box- liuotinaineet Hiekkarakeet sidotaan toisiinsa Cold-box-menetelmässä polyuretaanilla, joka muodostuu polyolihartsimolekyylin, isosyanaatti-aktivaattorin ja kiihdyttimen toimivana amiinikaasunvälisessä reaktiossa. Polyolit sisältävät paljon liuottimia, esim. aromaattisia hiilivetyjä, joita leimaa voimakas haihtuvuus, paha haju ja haitallisuus. Näitä on pyritty korvaamaan kasvisöljypohjaisilla vähemmän haitallisilla ja haihtuvilla metyyliestereillä, jotka vähentävät em. haittoja ja amiinin tarvetta, sekä parantavat keernojen laatua esim. kestää hyvin vesipeitostusta.. Etuja tällä tavalla voidaan todeta hiekan erittäin hyvä irtoaminen malleista ja keernalaatikoista vähentynyt katalysaattorin kulutus tarvittavan huuhtomisajan parantuminen tuottavuuden parantamien valuvikojen välttäminen lämmönkestävyyden parantumisella juoksevuuden ja mittatarkkuuden parantuminen Sideaine kovetetaan esim. trietyyliamiinilla (TEA) joka on kaasumaista. Haittoina on keernakoneiden kotelointitarpeen kasvaminen, tiiviiden keernalaatikoiden tiivistämisen, voimakas haju Cold-box-menetelmänä Cold- boxmenetelmä on kehitetty USAssa 1960-luvulla. Sideaineina menetelmässä toimivat fenoliformaldehydihartsi (PF) ja polyisosyanaatti (MDI = metyleenibisfenyyli eli difenyylimetaanidiisosyanaatti), jotka katalyyttinä toimivan amiinikaasun, yleensä dimetyylietyyliamiini (DMEA) isopropylamiini (DMI(P)A tai trietyyliamiini (TEA), joista DMEA on nopeampi reagoimaan kuin TEA. Näiden vaikutuksesta sideaineet reagoivat keskenään muodostaen hiekkarakeet toisiinsa lujasti kiinnittävää polyuretaania. Amiinien reagointi on sitä suurempi mitä matalampi on niiden kiehumispiste. Matala kiehumispiste tuo taas tullessaan kasvavan hajuhaitan. Tätä hajuhaittaa voi vähentää korvaamalla DMEA pienemmän hajuhaitan DMIA:lla Kovettumisreaktio tapahtuu muutamissa sekunneissa ja irrotus voi tapahtua välittömästi, kun amiinikaasu on puhallettu keernan läpi ja loppuhuuhtelu on tehty Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 25

26 Kuva. Cold box-keernojen valmistamisprosessin kaaviokuva keernatykillä. Kuva. Keernan irrotus Ennen kaasutusta sideaineet reagoivat keskenään hyvin hitaasti, jonka ansiosta hiekan käyttöaika on pitkä. Hartsin kulutus on 0,6 1,2 % hiekan määrästä, MDI:n 0,5 1,1 % hiekan määrästä sekä DMEA:n kulutus on 0,05 0,1 % hiekan määrästä. Lisäaineena keernoissa käytetään rautaoksidia 0,5 1,0 % keernojen halkeamisen tai ennenaikaisen hajoamisen estämiseksi. Menetelmää kutsutaan usein myös nimellä kaasuhartsimenetelmä. Suomessa 80 90% keernoista tehdään Cold-boxilla Cold-box- menetelämän taustaa Aiemmin todettujen sideaineiden ja kaasutuksen jälkeen kovettumisreaktio tapahtuu siis muutamassa sekunnissa ja irrotus voi tapahtua välittömästi, kun DMEA kaasu on puhallettu keernan läpi. Tämä nopeuttaa tuotantoa. Menetelmää on kehitetty siten että suoritetaan katalysaattorin talteenotto, jossa keernalaatikko yhdistetään suoraan huuhtelujärjestelmään. Tämä tapahtuu siten että keernasta johdetaan huuhtelukaasu suoraan ns. kylmäloukkuun, jossa liuotin aineet kondenosituvat siinä. Tämän jälkeen erotetaan katalysaattori absorboimalla. Huuhtelukaasu poistuu puhdistuslaitteesta kuumennuslaitteen ja kompressorin avulla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 26

27 Vapautuva kaasumainen alle -40 ⁰C katalysaattori johdetaan keernataykin katalysaattoriin uudelleen käytettäväksi Hajuhaitat ympäristölle ovat pakottaneet valimoita investoimaan biosuodattimiin tai jälkipolton käyttöön. Cold-box sisältävävät liuotteina aromaattisia hiilivetyjä. siirryttäessä käyttämään aromaattisten hiilivetyjen sijasta metyyliesteripohjaisia liuotteita on kyetty vähentämään huomattavasti BTX- päästöjä. Hiekan laajentumisesta aiheutuneiden vikojen torjumiseksi on coldbox -hartseilla käytetty lisäaineena impegnoitua puujauhoa. Kuva. Kaasunkehitin cold-box-kovetinprosessiin Cold-box sideaineiden kehitysvaiheet Cold-box-menetelmän käyttöönoton jälkeen on tapahtunut huimia kehitysaskeleita. Seuraavassa eräitä näistä, jotak ovat tejneet menetelmästä ympäristöystävällisemmän. 1. Aromaattisen liuotinaineen korvaaminen rapsiöljytymetyyliesterillä ja siten haitallisten emissioiden( BTX) vähentämien keernanvalmistuksessa ja valun jälkeen. 2. Modifoidun rasvahappo-metyyliesterin käyttöönotto tarkoituksella vähentää savun muodostusta keernojen kuivauksessa( jos tehdään lämmittämällä) ja valun jälkeen verrattuna 1. sukupolven sideaineisiin 3. Vapaan fenolipitoisuuden vähentäminen hartsikomponentissa, tarkoituksella parantaa jätehiekan kaatopaikkakelpoisuutta ja vähentää edelleen haitallisia emissioita 4. Silikaattiperusteisiin liuoteaineiden käyttöönotto tarkoituksella vähentää hajuemissioita, savun muodostusta ja kondensaatioita valun jälkeen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 27

28 Poly-uretaani-cold-box-menetelmä(PUCB) on ollut omiaan parantamaan Cold-box- menetelmän aiempien sukupolvien ominaisuuksia, kuten pienentämällä sideainepitoisuuksia, samoin amiinikatalysaattoriarvoja ja vapaan fenolin määrää kuten myös vapaata formaldehydiä. Polyuretaanipohjaiset Cold-box-sideaineilla on ollut johtava asema keernojen suursarjavalmistuksessa ja niiden osuus on 2/3 osaa nykyisin kaikista valmistettavista kaasulla kovetettavista keernoista. Markkinoille on tullut uusia kehitettyjä hyvin reaktiivisia polyuretaanipohjaisia Cold-box- sideaineita, jotka ovat lisänneet tuotantonopeuksia. Tämä voidaan helposti mitata kokeilla, jossa valmistamalla sylinterin muotoisia koekeernoja ja toteamalla miten suuri osa keernoista on kovettunut kullakin kaasutusajalla. Näiden sideaineiden ansiosta on katalysaattorimäärän tarve samalla vähentynyt huomattavasti ja keernojen alkulujuudet kasvaneet. Tämä parantaa huomattavasti keernojen käsiteltävyyttä ja nopeuttaa valmistusta, toki myös sideainekustanuksiin sillä voi olla alentavaa merkitystä. Samalla kaasutus- ja huuhteluaikojen pienentyminen vaikuttaa samalla tavalla, sillä nämä muodostavat yli 2/3 osaa keernan valmistuksen tuotantoajasta. Esimerkkinä 60 litran keernan Cold-box- tykkivalmistusajasta kokonaistahtiaika on 26 sekuntia, josta 11 % kului hiekkaseoksen ampumiseen laatikkoon, 69 % kaasutus- ja huuhteluvaiheeseen ja 20% irrotuspuhdistusvaiheeseen. Verratessa tavanomaisten sideaineiden ja hyvin reaktiivisen sideaineen käyttöominaisuuksia, voidaan havaita että savutettaessa molemmilla sama alkulujuus, saadaan kovettumisnopeudessa eroja hyvin reaktiivisilla sideaineiden eduksi. Tavanomaisella sideaineilla kovettumisnopeus on vain 60% hyvin reaktiivisen nopeudesta. Tästä nopeasta kovettumisnopeudesta huolimatta on hyvin raeaktiivisen sideaineen katalysaattorin määrä vain 60% tavanomaisen määrästä. Hyvin reaktiivisilla sideaineilla saavutetaan myös parempi keernan irrotettavuus. Tähän syyksi on arveltu pitkässä kaasutusvaiheessa kaasun vievän mukanaan osan sideaineen sisältämästä liuotinaineesta, joka yleensä parantaa keernan irrotettavuutta. Tätäkin parempia kehitysaskeleita on saatu TMA-menetelmällä jossa kovetteena trimetyyliamiini, jolla on saatu kaasutusaikoja ja huuhteluaikoja sekä tahtiaikoja lyhyemmiksi. Tästä johtuen amiinimäärät pienenevät entisestään ja tuotantomäärien kasvaessa. Käytössä on myös NRS- sideaineita (New Resin System), joissa sideaine koostuu kahdesta komponentista jota sekoitetaan suhteessa 15/85-35/65 käyttötarkoituksesta riippuen. Sideainepitoisuus on 1-1,7 % hiekan määrästä. Sekoitus annossekoittimissa johtaa parhaaseen lopputulokseen. Haittana tässä menetelmässä on amiinin suuri määrä joka on 1,5-2 kertainen ja se että keerna ei kovene ilmassa, mikä taas aikaan saa keerna kuivatustarpeen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 28

29 Tämän menetelmän etuina on pitkä penkkiaika ja keerna lujuuden paraneminen ajan kasvaessa, samoin halkeamapurseiden väheneminen. Laitteiston puhdistustarve on pieni ja myös hajuhaittoja on saatu vähenemään. Kuva. Keerna varastoinnissa ja kuivumassa Coldbox- menetelmiä GMBOND -menetelmä Käytössä on myös GMBOND -menetelmä, jossa sideaineena toimii proteiinipohjainen biopolymeeri, joka koostuu amiinihapoista ja rautaoksidista (parannetaan termisiä hajoamisominaisuuksia valun jälkeen). Tässä menetelmässä uusi tai kierrätetty hiekka esipinnoitetaan. Tällöin se kuumennetaan 100⁰C:een ja lisätään sideaine 1% hiekan määrästä sekä sekoitetaan (n. 5min. kunnes kuivaa) ja varastoidaan uudelle käyttöä varten. itse käyttövaiheen sekoituksessa (n. 1 minuutti) siihen n. 10 ⁰C lämpöiseen hiekkaan lisätään vettä n. 2% Keerna kovettuu veden haihtuessa, joka aikaan saadaan lämmittämällä keernalaatikkoa. Tämän kaltaisia menetelmiä on useita joissa hiekkaa kuumennetaan sekoitus vaiheessa kuten keernalaatikkoakin ja kovettumista voidaan nopeuttaa lämminilmapuhalluksella Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 29

30 Beachbox-menetelmä Tällainen on esm. Beachbox-menetelmä keernalaatikko Tällaiset vesiliukoiset keernanvalmistumnetelmät mahdollistaa kustannussäästöjä, koska niiden ansioista laitteistovaatimukset vähenevät esim. kaasunkehittimet ja kaasunpesurit jäävät pois Keernoja ei myöskään tarvitse peitostaa, joten laitteistoja niihinkään ei tarvita. Haittapuolena on todettava vesiliukoisia menetelmissä mukana oleva vesi aiheuttaa valun aikana väistämättömästi kaasunkehitystä ja sen vuoksi kaasurakkulavirheiden määrä saattaa lisääntyä, sekä kovettamiseen tarvittavaa lämpöä, joka on siis energiaa kuluttavaa. Lisäksi on sideaineiden koostumus tiedettävä hyvin, jotta vältytään sopimattoman menetelmän käytöstä, esim. pallografiittivalulle ei sovi magnesiumsulfaattipitoinen sideaine. Cold-box keernan kovettamisesta Kovettaminen voi tapahtua esim. epäorgaanisella alkaalisella sideaineella, jolloin keerna kovetaan ⁰C ilmalla. Tällainen menetelmä soveltuu suursarjatuotantoon, koska se vaatii metallisen keernalaatikon. Sideaineina hartsihiekoissa voivat olla orgaaniset tai epäorgaaniset sideaineet. Epäorgaanisia sideaineita on kehitelty orgaanisen sideaineiden tilalle, jotta voitaisiin käyttää ympäristöystävällisimpiä ja terveydelle suotuisampia aineita. Orgaaniset sideaineet aiheuttavat päästöjä ja hajuja keernoja valmistettaessa ja valun sekä muottien tyhjennyksen yhteydessä. Hiekkoja voidaan käsitellä myös laitteilla jossa samassa on yhdistettynä hiekan jäähdytys vedellä, lämmitys esim. sähköllä ja leijupedillä pölynpoisto samassa laitteessa. Tällaisia sideaineita käytettäessä (esim. alumiinivaluun suunnattu Cordis-menetelmä) ammutaan hiekka kuumennettuun keernalaatikkoon. Sideaine sisältää modifioituja fosfaatti-, silikaatti-, ja boraattiryhmiä. Lisäksi seokseen lisätään juoksevuutta ja varastoitavuutta parantavia aineita. Sideainelisäys on n. 1,5 3% hiekan tilavuudesta. Keernahiekkojen kuumennuslämpötila vaihtelee alueella ⁰C ja lämmön vaikutuksesta keernaan kovettuu kiinteä kuori. Tämä ensimmäinen vaihe perustuu veden haihtumiseen. Tämän lisäksi voidaan kovettumista aikaansaada kaasutusta ilmalla tai kemiallisella kovettamisella. Keernoja voidaan käyttää alumiinivaluun peitostamattomina. Peitostettaessa vesipeitosteella keerna menettää lujuuttaan enemmän kuin alkoholipeitostetta käytettäessä. Pitkää varastointiaikaa on vältettävä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat orgaaniset sideaineet - 30