20. Kaavaushiekkojen lisäaineet

Transkriptio

1 20. Kaavaushiekkojen lisäaineet Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Sideaineiden lisäksi sekoitetaan kaavaushiekkoihin lisäaineita, joiden tehtävänä on parantaa valukappaleen pinnanlaatua estää valuvirheiden syntyminen, esimerkiksi hiekan kiinnipalaminen ja kuoriutumavaluvirheet parantaa sideaineiden ominaisuuksia, esimerkiksi tyhjennettävyyttä Kivihiilijauhe Kivihiilijauhetta lisätään rautavalimoissa kaavaushiekkaan valukappaleiden pinnanlaadun parantamiseksi. Kuva. Kivihiili Hiililisäaineita lisäämällä tavoitellaan sulan muottihiekkaan tunkeutumisen ja sula-muottireaktioiden estäminen kaavaushiekan juoksevuuden parantaminen kaavaushiekan kosteuspitoisuuden minimoiminen ja optimoiminen bentoniitin dispergoinnin (muokkautuminen) nopeuttaminen valuvirheiden välttäminen Kivihiilijauhe muodostaa muottiin pelkistävän kaasukehän, joka estää raudan pinnan hapettumisen. Näin ei synny haitallista rautaoksidia FeO, joka muodostaa kvartsin kanssa helposti sulavaa rautasilikaattia; katso luku 11 Hiekan kemialliset ominaisuuden Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 1

2 Kivihiilijauhetta käytettäessä voi muottikaasuissa olla hiilimonoksidia eli häkää. Muottikaasut on niiden leviämisen estämiseksi sytytettävä valun aika palamaan. Ilmastoinnin pitää olla valimossa asianmukainen, jotta syntyneet valukaasut saadaan poistettua mahdollisen hyvin ilmasta. Jauhe muodostaa muotissa kaasua, joka muodostaa hiekkarakeiden pinnalle ohuen kiiltohiilikalvon. Kalvolla on vai vähäinen taipumus tulla kosketukseen sulan raudan kanssa, joten se pienentää sulan metallin kykyä tunkeutua hiekan huokosiin. Liian suuri määrä kiiltohiiltä hiekassa voi aiheuttaa valukappaleisiin vikoja. Osa kiiltohiiltä voi irtautua hiekkarakeiden pinnasta ja muodostaa kappaleen pintaan kylmäsauman kaltaisia uria, jotka voivat ulottua jopa valukappaleen seinämän lävitse. Bentoniittihiekkojen kivihiilijauhepitoisuus on 3-7 %. Kiiltohiilipinta Kylmäsauma Irronnut kiiltohiililevy 20.2 Orgaaniset lisäaineet Valtaosa EU.n 10 miljoonan tonnin valurautatuotannosta on tehty tuorehiekkaan jossa käytetään bentoniittia sideaineena. Tästä seuraa bentoniitista aiheutuvaa pölyä ja päästöjä, joiden torjunta aiheuttaa kustannuksia. Tästä johtuen on lähdetty kehittämään tuorehiekkoja joissa ei ole lainkaan hiilipölyä eikä muita orgaanisia lisäaineita. Hiiltä korvaavalle lisäaineelle on asetettu monta vaatimusta: epäorgaanisuus kohtuullinen hinta hiekan kosteuden vaihtelun sieto hyvä rautavalun pinnan laatu kaavaushiekan hyvä irtoavuus kappaleesta hyvät hiekkaseoksen mekaaniset ominaisuudet Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 2

3 Korvaavina aineina on käytetty zeoliittia ja makrokiteistä grafiittia. Kuva. Grafiitti Kuva. Zeoliitti Tällä tavoin on saatu herkkyyttä hiekan kosteudelle. Lisäksi tämä on parantanut hiekan juoksevuutta ja tiiviyttä. Seoksen parantuneista ominaisuuksista huolimatta on tullut myös haittatekijöitä, joista voidaan todeta merkittävimmän olevan hiekan pureutuvuuden lisääntymien. Tämä on valukappaleen valmistuksessa rajusti kustannuksia lisäävä tekijä. Lisäksi pureutumisalttius vaikuttaa valukappaleen massan pienentymistä useamman prosentin samoin seoksen hinnan kasvu on negatiivien piirre. Hiekan kokonaiskulutus kuitenkin on todettu vähenevän tehdyssä koeohjelmassa 10 % ja haitalliset päästöt vähenevät 50-95% (haarukka todella iso) Lisäaineet ja hiekan ominaisuudet Erityisesti tuorehiekoissa käytetään lisäaineita parantamaan valupinnan laatua ja estämän valuvikojen, kuten kuoriutumavikojen tai kiinnipalamisen syntyä. Lisäksi lisäaineita käytetään parantamaan sideaineiden ominaisuuksia, kuten helpottamaan tyhjennettävyyttä (esim. vesilasihiekoilla). Tärkeimpiä lisäaineita ovat hiililisäaineet, rautaoksidi sekä kromiittihiekka. Hiililisäaineista yleisin on kivihiilijauhe, vaikkakin synteettiset aineet ovat yleistymässä. Näitä ovat mm. polystyreeni ja Antrapur (sis. bentoniittia ja nokea) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 3

4 Hiililisäaineiden vaikutuksesta valussa hiekkarakeiden päälle syntyy jo aiemmin mainittu ohut kiiltohiilikalvo, joka pienentää metallin penetraatiota hiekkaan ja lisäksi se estää (muottiin muodostuu pelkistävä kaasukehä ) kvartsin ja mahdollisen rautaoksidin välisen reaktion, vähentäen hiekan kiinnipureutumista. Polystyreenin kyky muodostaa kiiltohiilikalvo on tehokkaampi kuin kivihiilellä. Sen tarve onkin vain n. 20% vastaavasta kivihiilimäärästä. Kiiltohiilikalvo on tarpeellinen ainoastaan valuraudan valussa. Pallografiittivaluraudan valussa on otettava huomioon, että kivihiilijauheen rikkipitoisuus voi haitata palloutumista. Rautaoksidia (Fe 2 O 3 ) käytetään keernahiekoissa max. 2%:n suuruisina lisäyksinä estämään keernojen halkeaminen tai ennenaikainen hajoaminen. Rautaoksidia käytetään erityisesti pienissä keernoissa, jotka ovat suuren metallimäärän ympäröimiä. Keernojen halkeaminen johtuu kvartsihiekan suuresta ja nopeasta lämpölaajenemisesta. Keernoihin voidaan lisätä myös esim. 40% kromiittihiekkaa, jolla lämpölaajeneminen on pienempi. Samalla se parantaa keernan tulenkestävyyttä. Rautaoksidia ei tarvitse lisätä, jos keernassa käytetään kromiittihiekkaa. Rautaoksidilla FeO on taipumus reagoida kvartsin kanssa muodostaen fayaliittia Fe 2 SiO 4, jonka sulamislämpötila on 1200 C. (Tämä on todettavissa myös metalleilla, jotka sisältävät mangaania.) Fayaliitti tunkeutuu muottihiekkaan ja aiheuttaa hiekan kiinnipureutumisen valukappaleen pintaan. Tätä ongelmaa voidaan torjua myös peitostamalla muotti. Rauta Fe ei reagoi suoraan kvartsin kanssa, vaan raudan täytyy olla hapettunut rautaoksidiksi. Kun muotissa on pelkistävä kaasukehä, on raudan hapettuminen vähäistä ja olosuhteet fayaliitin muodostumiselle epäotolliset. Erityisesti valuprosessiissa on otettava huomioon, että kivihiilijauheen rikkipitoisuus voi haitata palloutumista. Rautaoksidia (Fe 2 O 3 ) käytetään keernahiekoissa max. 2%:n suuruisina lisäyksinä estämään keernojen halkeaminen tai ennenaikainen hajoaminen. Rautaoksidia käytetään erityisesti pienissä keernoissa, jotka ovat suuren metallimäärän ympäröimiä. Keernojen halkeaminen johtuu kvartsihiekan suuresta ja nopeasta lämpölaajenemisesta. Keernoihin voidaan lisätä myös esim. 40% kromiittihiekkaa, jolla lämpölaajeneminen on pienempi. Samalla se parantaa keernan tulenkestävyyttä. Rautaoksidia ei tarvitse lisätä, jos keernassa käytetään kromiittihiekkaa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 4

5 Hiililisäaineen valintakriteerit Hiililisäainetta valittaessa on huomioitava valmistusprosessin erilaisia vaikuttavia tekijöitä. Tällaisia ovat mm. keernahiekan raejakautuma keernahiekan määrä keernasideaine hiekansekoitin tyyppi hiekansekoitusajat kaavauskoneen tyyppi valukappaleen vaativuusaste kaavauskehyksen täyttöaste Hiililisäaineen toimittajilta saa em. vaikutustekijöiden ja hiililisäaineiden yhteensopivuudesta yksilöllisiä tietoja. Prosessihiili vaikuttaa kaavaushiekkaan, jolloin voi hiekan paino nousta märkävetoisuus nousta halkaisulujuus nousta halkaisu-puristuslujuus nousta kosteuden tarve laskea Nämä kaikki ominaisuudet aikaansaavat muottihiekkaan ominaisuuksia jotka vaikuttavat valettavan valukappaleen laatuun Prosessiihiilipohjaiset hiililisäaineet ja vaikutukset Näillä voidaan vaikuttaa muottihiekkaan, muotinvalmistuksen ja valunyhteydessä tapahtumiin reaktioihin bentoniitin dispergointia (= muokkausta, katso 13.2 Bentoniitista)) voidaan nopeuttaa bentoniitin ominaistarve alenee kiiltohiilen muodostuskyky voidaan optimoida hiekan kosteuspitoisuutta voidaan vähentää Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 5

6 hiekan juoksevuus voidaan parantaa hiekan ominaisuudet stabiloituvat hiilen määrä hiekassa voidaan alentaa hiekasta johtuvat pölymäärät vähenevät valukaasujen koostumukseen voidaan vaikuttaa ylijäämähiekan haitallisuuteen voidaan vaikuttaa erotettu pöly voidaan palauttaa hiekkakiertoon hiekan lietepitoisuutta voidaan nostaa voidaan käyttää hienompaa hiekkaa 20.3 Polystyreeni Kivihiilijauheen haittavaikutuksien vuoksi on kehitetty useita sitä korvaavia aineita. Eräs tällainen on polystyreeni, joka on tätä tarkoitusta varten jauhettu n. 0,02 mm:n reakokoon. Polystyreenihän on jo ennestään tuttu aine; sitähän käytetään mm. valumallien materiaalina täysmuottikaavauksessa, jossa malli poltetaan pois muottiontelosta, tosin vähenenevässä määrin runsaan savun muodostuksen vuoksi. Lisäksi sitä käytetään lämpöeristeenä, koska sen eristyskyky on hyvä. Polystyreeni muodostaa kiiltohiiltä runsaasti, jolloin sitä tarvitaan vain noin viides osa siitä määrästä, mikä kivihiilijauhetta tulisi lisätä. Lisäksi se muodostaa muottiin pelkistävän kaasukehän niin kuin kivihiilijauhekin. Koska polystyreenirakeet palavat muottiontelon pinnasta valun yhteydessä poissa, vapauttavat ne tilaa laajeneville kvartsirakeille, jolloin kuoriutumavaluvikojen vaara vähenee. Polystyreeni toimii tällöin puskuriaineena. Aiemmin sekoitettiin kuoriutumavaluvikojen estämiseksi kaavaushiekan joukkoon puujauhoa. Puujauho pystyi palaessaan muodostamaan jonkin verran kiiltohiiltä. Tämä on jäänyt polystyreenin ansioista pois Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kaavaushiekkojen lisäaineet - 6