Keernanvalmistus Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Keerna on sideaineella sidotusta hiekasta valmistettu kappale, joka asetetaan hiekkamuottiin muodostamaan valukappaleeseen reikiä ja onkaloita. Valutekniikan kehittyessä keernoja on ryhdytty käyttämään muullakin tavoin kaavauksen apuna (Kuva 1). Keernoja voidaan käyttää vastahellitysten poistamiseen sekä muotin heikkojen ja termisesti rasitettujen kohtien vahvistamiseen. Keernanvalmistukseen on tarjolla haastaviin olosuhteisiin suunniteltuja sideaineita, joita käyttäen tällaisesta kohdasta on mahdollista saada pinnanlaadultaan ja mittatarkkuudeltaan hyvä tai vähintään tyydyttävä. Mikäli kappale on muodoiltaan hyvin monimutkainen, on mahdollista valmistaa keernapaketti, joka joko yhdistetään muottiin tai jolla korvataan koko muotti. Monimutkaiset keernat valmistetaan melko useinkin liittämällä erikseen tehtyjä keernoja yhteen keernapaketiksi (Kuva 10 - Kuva 11). Hyvän keernan tulee täyttää seuraavat vaatimukset: Mitat ovat riittävän tarkat. Keernakantoja on riittävä määrä pitämään keerna paikoillaan valun aikana. Keernakantojen on oltava kestäviä, tukevia ja riittävän suuria. Keernan on oltava riittävän tukeva ja luja kestämään kuljetuksen, varastoinnin ja muottiin asettamisen rasitukset. Keernan tulee kestää sulan metallin aiheuttama mekaaninen rasitus ja lämpörasitus. Keerna on yleensä kokonaan sulan ympäröimänä, joten se kuumenee ja rasittuu enemmän kuin itse muotti. Lisäksi se muodostaa samasta syystä runsaasti kaasuja, joiden poistumisesta tulee huolehtia. Muuten kaasut purkautuvat sulaan metalliin aiheuttaen valuvikoja. Valun aikana muodostuvat kaasut pääsevät poistumaan esteettä. Keerna on voitava poistaa valun jälkeen helposti valukappaleesta. Toisinaan käytetään lämmön vaikutuksesta kovettuvia ja lujittuvia keernoja vahvistamaan eniten lämpökuormalle altistuvia muotin osia. Keernan valmistusmateriaalin ei kuitenkaan tulisi lujittua niin paljon, että sen poistaminen hankaloituu. Kuva 1. Keernojen käyttötavat. A) Onkalon muodostaminen valukappaleeseen, B) vastapäästön poistaminen, C) Muotin heikon kohdan vahvistaminen, D) ylämuotin korvaaminen keernalla ja E) keernoista tehty muotti. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 1
Keernojen käyttö on eduksi tai välttämätöntä valmistettaessa muodoiltaan monimutkaisia valukappaleita. Keernojen avulla saadaan aikaan muotoja, jotka eivät ole muulla kaavaustekniikalla mahdollisia. Monimutkaisimmat ja hienorakenteisimmat keernat valmistetaan koneellisesti keernatykillä tai kuoritekniikkaa käyttäen. Keernojen avulla voidaan usein myös parantaa kappaleen mittatarkkuutta, pinnanlaatua, nopeuttaa työn kulkua kaavauksessa, vähentää valuvikoja jne. Keernat lisäävät kuitenkin valmistuskustannuksia joten niitä vaativien rakenteiden kohdalla olisi punnittava kustannusten ja hyötyjen suhde. Mikäli mahdollista, on kustannustehokkainta pyrkiä rakenteeseen, mikä voidaan toteuttaa ilman keernoja. Ellei keernattomuus ole mahdollista, keernojen määrä tulee pyrkiä pitämään mahdollisimman pienenä ja kappaleen rakenteet sellaisina, että keernoista tulee mahdollisimman helposti valmistettavia. Ohjausholkki Keernatappi Ilmanippeli Täyttöaukko Keernatappi Ilmanippeli Ulostyönnin Ohjausnasta Keernatappi Kuva 2. Koneellisesti täytettävän keernalaatikon puolikkaat. Laatikossa on ulostyöntimet keernojen irrottamista varten. Keernatapeilla valmistetaan nostoreiät, joista ripustamalla keerna on mahdollista laskea muottiin. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 2
Nostoreikä Kuva 3. Aikaisemman kuvan keernalaatikolla valmistetut keernat. Kuva 4. Avattu, koneellisesti täytettävä keernalaatikko, jossa keernat ovat vielä paikoillaan. Kuva 5. Keernatykki. Tykin toiminta perustuu hiekan siirtämiseen keernalaatikkoon paineilman avulla. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 3
Kuva 6. Vasemmalla: Uunituoreet keernat odottavat koneesta pois nostamista. Tämän jälkeen ne menevät peitostukseen. Oikealla: Keerna nostetaan käsin keernatykistä. Kuva 7. Keernasta poistetaan jakopintapurseita. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 4
Kuva 8. Keernat asetetaan hihnalle, joka kuljettaa ne peitostukseen. Kuva 9. Kuorimenetelmällä valmistettuja keernoja. Keernat yhdistetääån keernapaketiksi, joka esitetään seuraavassa kuvassa (Kuva 10). Kuva 10. Keernapaketti, joka koostuu kahdesta erikseen valmistetusta kuorikeernasta. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 5
Keernalaatikot Keernat valmistetaan yleensä koneellisesti keernamuotin eli keernalaatikon avulla, mutta käsin täytettävät laatikot ovat myös tavallisia. Standardi "SFS-EN 12890 Valut. Valumallit, mallivarusteet ja keernalaatikot hiekkamuottien ja keernojen valmistamista varten" määrittelee keernalaatikoiden (ja mallien) laatuluokat ja kestävyyden valmistettavien keernojen lukumäärän perusteella. Pienille keernamäärille puinen keernalaatikko on välttävä, mutta suurempia määriä valmistettaessa keernalaatikot tehdään joko muovista tai metallista. Kuva 11. Metallisia keernalaatikoita, joita käytetään kuorikeernojen valmistamiseen. Käsin täytettävä keernalaatikko voi olla päältä avonainen. Tällaista rakennetta käytetään, jos keerna on mahdollista suunnitella yhdeltä pinnalta tasaiseksi (esimerkiksi Kuva 1, kohta D). Yleensä keernalaatikko suljetaan yhdeltä tai useammalta jakopinnalta. Käsin täytettävä laatikko täytetään keernakantojen kautta (Kuva 12). Siinä voi olla niin monta jakopintaa kuin katsotaan tarpeelliseksi. Koneellisesti täytettävän laatikon jakopintojen lukumäärä ja sen kautta keernan rakenne rajoittuu koneen mahdollisuuksien mukaan. Joissain keernanvalmistuskoneissa ei ole mahdollista käyttää enempää kuin yhtä jakopintaa, joissain on mahdollisuus kahteen ja joissain useampiin jakopintoihin. Jakopintojen avautumissuunnat on myös sidottu keernanvalmistuskoneen tarjoamiin mekaanisiin mahdollisuuksiin. Useiden jakopintojen sijasta tai ohella keernalaatikossa voi käyttää erilaisia irto-osia. Irto-osilla tavoitellaan samaa kuin useilla jakopinnoilla eli niiden tarkoituksena on mahdollistaa monimutkaisten vastahellitettyjen muotojen valmistaminen. Irto-osien toimintaperiaate tai käyttömekanismi riippuu laatikolla valmistettavien keernojen lukumäärästä ja keernan valmistusmenetelmästä. Osat voivat olla esimerkiksi ulosvedettäviä tai ne voivat toimia samalla tavoin kuin valumallin irtopalat. Jälkimmäisessä tapauksessa osat asetetaan laatikkoon siten, että ne pysyvät paikoillaan täyttämisen ajan, mutta poistuvat laatikosta yhdessä keernan kanssa, jonka jälkeen ne on mahdollista irrottaa. Keernatykeillä täytettävät keernalaatikot varustetaan ilmanippeleillä, joiden kautta paineilma virtaa ulos laatikkoa täytettäessä. Ne sijoitellaan yleensä kulmiin ja umpinaisiin taskuihin siten, että laatikkoon ei jää ilmataskuja. Sijoittelu vaatii yleensä sekä kokemusta että kokeilua. Keernalaatikkojen täyttyminen voidaan tutkia myös simulointiohjelmilla. Huono sijoittelu saa aikaan hiekan täyttymisongelmia sekä ongelmia kovetekaasun annostelussa. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 6
Muita keernalaatikon suunnittelun perussääntöjä: Valitse suurimmat mahdolliset puhallusaukot. Puhallusaukkojen suuruus voi olla esimerkiksi yksinkertaisille keernoille 2,5-3,0 cm 2 /kg hiekkaa ja monimutkaisille keernoille 5,0 cm 2 /kg hiekkaa. Kaasunpoistonippeleiden yhteisen pinta-alan on oltava kaasunpuhallusaukkojen pinta-alaa pienempi, jotta keernalaatikosta saadaan paineellinen. Kuva 12. Käsin täytettävä keernalaatikko. Laatikossa on yksi jakopinta ja se täytetään laatikon yläosaan asetetun keernakannan kautta. Laatikolla valmistetaan kaksi keernaa. Keernakannat ja keernansijat Valumalliin suunnitellaan lisäkkeet ja keernalaatikkoon niitä vastaavat syvennykset, joiden avulla keerna saadaan pysymään muotissa ja sijoittumaan oikeaan kohtaan. Keernassa olevia lisäkkeitä kutsutaan keernakannoiksi ja muotissa olevia syvennyksiä keernansijoiksi. Keernakantojen mitoittamisessa tulee ottaa huomioon sulan metallin nosteen aiheuttama voimavaikutus. Nosteen aiheuttamat voimat eivät saa rikkoa keernaa tai murtaa muottia keernansijojen kohdalta. Sulan metallin noste on moninkertainen veden nosteeseen verrattuna. Keernakannan ja keernansijan välillä täytyy olla välys, jonka suuruus riippuu esimerkiksi: Mahdollisesta peitostustarpeesta Kantojen ja keernan mitoista Valumallien valmistuksen tarkkuudesta Muotin osien valmistustarkkuudesta Valumallien ja keernalaatikoiden kulumisherkkyydestä suhteessa valmistettavan erän kokoon Valumallien ja keernalaatikoiden uusimis- ja huoltovälistä Periaatteessa on hyvä mitoittaa välys niin pieneksi kuin suinkin, koska välykselliseen muotin osaan tunkeutuu herkästi metallia purseen muodossa. Purseilu saattaa hankaloittaa valujen puhdistamista huomattavastikin. Välyksen tulee kuitenkin olla niin suuri, että mallivarusteiden mahdollinen kuluminen ei aiheuta tilannetta, jossa keerna ei enää sovi paikoilleen. Kuluminen aiheuttaa yleensä keernakannan suurenemisen ja keernansijan pienenemisen, koska edellinen valmistuu muotilla ja Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 7
jälkimmäinen mallilla. Liian väljä keernakanta aiheuttaa myös keernan nousemisen valun aikana, jolloin muotin ja keernakannan yläosan reuna saattaa rikkoutua ja tuottaa sulaan irtohiekkaa. Alemman muottipuoliskon keernansijat määräävät keernan paikan muotissa. Yläpuoliskon keernansijoihin voi jättää hieman enemmän väljyyttä, jotta keerna ja muotti eivät hankaa suljettaessa toisiaan. Keernakantoihin lisätään ohjauslisäkkeitä, esimerkiksi uria, leikkauksia ja ulokkeita. Lisäkkeiden avulla samantyyppiset, mutta hieman erilaiset keernat erottuvat toisistaan ja keerna ohjautuu oikeaan asentoon ilman, että asento tarkistetaan piirustuksista. Kuva 13. Keernakantojen suositeltavat pituudet ja hellitys. Välys keernakannan ja keernansijan sälillä riippuu esimerkiksi keernan läpimitasta ja kaavaustavasta. Keernojen vahvistaminen ja käsittely Jos keernahiekan lujuus ei yksistään riitä, voi keernan vahvistaa metallisilla tukirangoilla. Tukirankoja käytetään esimerkiksi pitkillä ja kapeilla keernoilla sekä ohuissa kannakkeissa. Tukirankojen käyttö onnistuu myös keernatykeillä valmistettavissa keernoissa. Keernalaatikkoon asetetaan päistään kourumaiset nastat, joihin tukirangat kiinnitetään. Kiinnitys on riittävän tukeva pitämään rangat paikoillaan, kun hiekka ammutaan keernalaatikkoon. Nastojen jättämät pienet reiät korjataan tarvittaessa keernan jälkikäsittelyn yhteydessä. Isoja keernoja joudutaan käsittelemään nostolaitteilla. Joissain tapauksissa nosto onnistuu liinojen tai ketjujen avulla tukemalla ne suoraan keernan muotoihin. Mikäli tämä ei ole mahdollista, keernaan kiinnitetään nostokorvakkeet (Kuva 13). Kuva 14. Keernan nostokorvakkeita Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 8
Keernojen kaasukanavat Sulan metallin ympäröimänä oleva keerna kuumenee voimakkaasti, jolloin sen sideaineet palavat ja muodostavat kaasuja. Jos kaasut eivät pääse poistumaan keernoihin tehtyjen kaasukanavien ja keernakantojen kautta, ne muodostavat painetta keernaan ja muotin sisälle. Kaasut purkautuvat lopulta sulaan metalliin aiheuttaen kappaleeseen valuvikoja. Kaasuille on tarjottava yhtenäinen reitti keernan sisältä muotin jakopinnalle ja sen kautta kokonaan ulos muotista. Ontoilla keernoilla eli kuorikeernoilla on rakenteensa puolesta hyvä kaasunläpäisevyys. Umpinaisiin keernoihin täytyy valmistaa kaasukanavat erikseen, esimerkiksi pistelemällä keernakantoihin reikiä ohuella puikolla. Reiät on helpoin valmistaa ennen kuin keernahiekka on kovettunut, mutta työ onnistuu myös valmiiseen keernaan. Jos keerna tehdään kahdessa osassa, kaasukanavat voidaan valmistaa sen jakopinnalle esimerkiksi lyöntilevyn avulla. Lyöntilevyssä on kaasukanavien malli, joka kopioituu keernapuolikkaan jakotasoon, kun levy painetaan sitä vasten. Kaasukanavat voi myös kaivertaa keernan jakotason pintoihin ennen kuin puoliskot liitetään yhteen tai ne voi toteuttaa laittamalla keernojen sisälle ilmastointinarua tai -putkea. Naru tai putki asetetaan kaavauksen yhteydessä sopiviin kohtiin keernan sisälle siten, että kaasut johtuvat keernakantoihin ja edelleen ulos muotista. Ilmastointinaru ei sovellu keernatykillä valmistettaviin keernoihin. Hiekkatulostimella valmistettavat keernat voi varustaa lähes minkä muotoisilla kaasukanavilla tahansa. Tulostin toimii useimmiten siten, että se levittää hiekkaa koko tulostusalueelle, mutta sitoo ja kovettaa sen ainoastaan tulostettavan muodon kohdalta. Jos sitomatonta hiekkaa jää hankalaan paikkaan tulosteen sisään, sitä ei välttämättä saa poistettua, mutta kaasukanavien tapauksessa poistaminen ei ole tarpeenkaan. Kaasun virtaus mahdollistuu jo siitä, että keernan sisällä on harvaksi jäänyttä materiaalia. Keernojen valmistus Keernat valmistetaan tavallisimmin koneellisesti eli keernatykillä tai kuorikeernakoneella. Suuret keernat, jotka eivät kokonsa puolesta mahdu keernanvalmistuskoneisiin, valmistetaan käsin. Keernatykeillä valmistetaan pieniä ja keskikokoisia keernoja. Keernatykeissä voi käyttää kaikista tavanomaisista mallimateriaaleista valmistettuja keernalaatikoita ja menetelmä sopii myös lyhyille sarjoille. Kuorikeernakoneen keernalaatikot valmistetaan metallista, koska menetelmä vaatii lämpöä. Valmistus käsin Menetelmässä käytetään käsin täytettäväksi soveltuvia keernalaatikoita ja muottien valmistukseen soveltuvia, nestemäisellä aineella kovetettavia sideainejärjestelmiä. Tällaiset kemiallisesti kovetettavat sideainejärjestelmät eivät vaadi sullomista. Keernalaatikkoa täytettäessä on kuitenkin varmistuttava siitä, että hiekka täyttyy tasaisesti. Suuremmat keernalaatikot täytetään pudottamalla hiekka suoraan sekoittimesta. Pienempiä laatikoita varten hiekka lasketaan ensin välivarastoon, esimerkiksi sankoon, josta se täytetään keernalaatikkoon käsin. Mikäli laatikko on hankalan muotoinen, apuvälineinä voi käyttää tärypöytiä ja survimia. Keernalaatikon täyttämiseen voi kulua suhteessa enemmän aikaa kuin kaavauskehysten täyttämiseen. Hiekkaa myös siirrellään enemmän. Näistä syistä keernojen manuaalisessa valmistuksessa on hyvä käyttää sideainejärjestelmiä, joiden penkkiaika on pitkä tai sideainejärjestelmiä, joiden kovettumisreaktio on mahdollista aloittaa hallitusti. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 9
Kuva 15. Manuaalisesti täytettävä keernalaatikko. Täyttöaukot ovat runsaat koneellisesti täytettävään keernalaatikkoon verrattuna. Ne eivät kuitenkaan ole riittävän suuret, jotta laatikko voidaan täyttää suoraan hiekansekoittimesta. Keernalaatikkoa joudutaan usein kääntelemään ja täristämään tai painelemaan survimella, jotta hiekka täyttyy kaikkialle sen sisällä. Koneellinen valmistus Keernojen koneellinen valmistus tapahtuu yleisimmin keernatykeillä. Automaattikaavauksessa käytettävistä keernoista lähes kaikki tehdään tällä menetelmällä. Nykyaikaisissa keernatykeissä keernalaatikon täyttö tapahtuu paineilman avulla siten, että hiekkaseos "ammutaan" keernalaatikkoon. Tämä on korvannut aikaisemmin käytetyn, sekä keernalaatikoita että energiaa kuluttavan puhalluksen. Keernalaatikoissa on paineilmaventtiileitä eli ilmanpoistonippeleitä, joiden kautta täyttöilma virtaa ulos. Keernatykin perusosat ovat paineilmasäiliö, paineilmaventtiili, puhalluspää, liikutettava kaasutuslevy ja keernalaatikkopöytä mahdollisine ulostyöntö-, avaus- ja sulkumekanismeineen. Kovetekaasun tuotanto (Kuva 17) ja hiekan sekoittaminen tehdään usein erillisillä laitteilla. Keernatykit luokitellaan keernan maksimitilavuuden mukaan. Maksimitilavuus vaihtelee välillä 2 300 dm 3. Hiekan sekoitukseen ja käsittelyyn käytettävät laitteet sekä kovetekaasun tuottamiseen käytettävä laitteisto valitaan keernan maksimitilavuuden perusteella siten, että hiekkaa ja kaasua muodostuu sopiva määrä. Keernatykin työkierron aluksi sideaineella lisätty hiekka johdetaan puhalluspäähän. Keernatykissä on paineilmasäiliö, joka on varattu paineistetulla ilmalla ja yhdistetty puhalluspään yläosassa olevaan venttiiliin. Kun venttiili avataan, hiekka työntyy voimalla keernalaatikkoon. Paine alenee nopeasti ja häviää kun keernalaatikko on täynnä. Puhalluspäähän on kiinnitetty rei itetty levy, joka painetaan tiiviisti keernalaatikkoa vasten (Kuva 16). Levyssä olevia reikiä voi avata ja sulkea tarpeen mukaan ja koko puhalluspää voidaan vaihtaa, jos niin halutaan. Reiät avataan keernalaatikossa olevien täyttöaukkojen kohdalle. Keernatykeissä käytettävien keernalaatikoiden jakotaso voi olla pysty- tai vaakasuorassa. Keernalaatikko on suljettava tiiviisti, ettei hiekka pääse tunkeutumaan laatikon jakopinnalle. Jos keernatykissä käytetään päältä avonaista keernalaatikkoa, puhalluspäähän kiinnitetty levy sulkee keernalaatikon sallien ilman poistua myös ylöspäin. Kun keernalaatikko on täytetty, puhalluspää siirretään keernalaatikon päältä pois ja tilalle liikutetaan kaasutuslevy. Kun levy on paikoillaan, keernatykkiin yhdistetty kaasutuslaite suorittaa työkiertonsa, johon kuuluu kovetekaasun annostelu ja mahdollinen huuhtelu. Täytön ja kaasutuksen jälkeen keernat ovat valmiita poistettaviksi. Irrottaminen tapahtuu joko koneellisesti ulostyöntimien avulla tai käsin. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 10
Kuva 16. Poikkileikkaus keernalaatikosta ja keernatykistä. Keernahiekka lasketaan keernatykin hiekkasäiliöstä puhalluspäähän, josta se ammutaan rei itetyn levyn läpi keernalaatikkoon. Kun keernalaatikko on täynnä, sen päälle siirretään kaasutuslevy, jonka kautta keernalaatikkoon johdetaan kovetekaasua. Levy estää kaasua vaikuttamassa puhalluspäässä olevaan hiekkaan. Keernatykissä voi olla ulostyöntömekanismi ja joissain malleissa laatikko on mahdollista avata useammalta kuin yhdeltä jakopinnalta. Kuva 17. Keernatykin kaasuntuottolaite. Kuva: Laempe (Oma teos) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), lähde: Wikimedia Commons. Kuva 18. Päältä avonainen keernalaatikko keernatykissä. Kovetekaasua ei saa päästää vaikuttamaan hiekkasäiliössä ja puhalluspäässä olevaan hiekkaan. Tästä syystä keernatykeissä on liikkuva kaasutuslevy, joka siirtyy hiekan ampumisen jälkeen keernalaatikon päälle ja eristää samalla kaasun pääsyn muualle kuin keernalaatikkoon. Kovettamiskaasu johdetaan laatikkoon kaasutuslevyssä olevien kanavien kautta. Kaasua annostellaan yleensä määrän (ei esimerkiksi ajan) perusteella. Jotkin cold-box-menetelmissä käytettävät kaasut, esimerkiksi amiinikaasut ovat terveydelle haitallisia. Laitteistot valmistetaan mahdollisimman suljetuiksi järjestelmiksi, jotta kaasujen leviäminen työympäristöön voidaan estää. Käytön jälkeen kaasut pestään. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 11
Keernojen tulostaminen ja työstäminen 3D-tulostaminen ja hiekan työstäminen ovat uusia keernojen valmistamisen tekniikoita. 3Dhiekkatulostimalla on edullisinta valmistaa monimutkaisen muotoisia, useaan suuntaan avautuvia tai useita keernalaatikoita vaativia keernoja ja keernapaketteja. Työstämällä puolestaan on edullisinta valmistaa isokokoisia keernoja pienille valusarjoille. Hiekkatulostin ei rajoita keernan muotoilua juuri millään tavoin. Muotoja ei tarvitse hellittää, niissä voi olla vastahellityksiä ja ne voivat jopa risteillä keskenään. Ainoita vaatimuksia on, että tulostimen jäljiltä jäänyt irtonainen hiekka täytyy voida poistaa keernan ulkopinnoilta ja että keernan on oltava niin kestävä, että se pysyy ehjänä valun ajan. Tulostettu keerna voi osoittautua edulliseksi myös siinä tapauksessa, että valutuotteita tehdään vain pieniä sarjoja. Keernalaatikot ovat usein kallein osa mallivarusteiden hankintaa ja niiden hinnalla voi tulostaa kymmeniä, jopa satoja keernoja. Työstämiseen voi käyttää esimerkiksi kiinteällä työpöydällä varustettua portaalijyrsinkonetta siten, että huolehditaan työtilan ilmanpoistosta ja koneen liikkuvien osien suojauksesta. Hiekan jyrsintä tuottaa ohutta hiekkapölyä, joka saattaa olla haitallista hengitettynä. Hiekan jyrsiminen kuluttaa jyrsintätyökaluja voimakkaasti. Sekä terät että teränpitimet kuluvat huomattavan nopeasti. Sideainemenetelmät Keernanvalmistusmenetelmiä jaotellaan monenlaisilla periaatteilla. Jako voidaan tehdä käytettävien sideaineiden perusteella tai esimerkiksi jakona kylmälaatikko- (cold-box) ja kuumalaatikko (hotbox) -menetelmiin. Varsinaisten keernoille tarkoitettujen sideainemenetelmien lisäksi keernoja valmistetaan myös samoilla sideainejärjestelmillä kuin muottejakin. Tällöin keernat valmistetaan manuaalisesti täytettäviin keernalaatikoihin, 3D-tulosteina tai koneistamalla. Kuumalaatikkomenetelmissä sideaineen kovettaminen perustuu lämpöön. Kylmälaatikkomenetelmissä kovettaminen tapahtuu kaasun avulla. Kuumalaatikkomenetelmät ovat suursarjamenetelmiä, koska keernojen valmistuksessa joudutaan korkeiden lämpötilojen takia käyttämään metallisia keernalaatikoita. Menetelmien haittoina ovat suuri energian kulutus ja kalliit keernalaatikot. Etuja ovat keveys, hyvä mittatarkkuus, kaasunpoistokyky ja varastointikestävyys sekä niin hyvä pinnanlaatu ettei keernoja tarvitse peitostaa. Suomessa valtaosa keernoista tehdään kylmälaatikkomenetelmällä. Menetelmän etuja ovat 1) keernojen lujuus, mittatarkkuus ja pinnanlaatu ovat hyviä, 2) menetelmä on nopea ja 3) keernoilla on hyvä varastointikestävyys. Cold-box-keernoilla voidaan saavuttaa jopa 700 N/cm 2 lujuusarvoja, mutta käytännössä tällaisia lujuuksia ei koskaan käytetä. Tavallisesti keernojen lujuudessa pyritään arvoihin 300 400 N/cm 2. Kuumalaatikko- ja kylmälaatikkomenetelmille sekä kuorikeernojen valmistukseen on omat koneensa. Kuorikeernat valmistetaan kääntö-tyhjennyskoneilla. Kaasukovetteiset cold-box-keernat valmistetaan yleensä cold-box-keernatykeissä. Cold-box-menetelmien etuna on nopea ja täsmällisesti ajastettavissa oleva kovettumisreaktio. Keerna voidaan irrottaa keernalaatikosta heti kaasutuksen jälkeen. Hot-box-keernojen valmistuskoneet vaihtelevat niiden mekanisointiasteen mukaan. Ne voivat olla yksinkertaisia keernatykkejä tai pitkälle automatisoituja moniasemaisia siirtokoneita. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 12
Taulukko 1. Keernanvalmistuksen sideainemenetelmiä Kylmälaatikkomenetelmät (cold-box) Kuumalaatikkomenetelmät (hot-box) Orgaaniset fenoli-formaldehydihartsi (PF) + polyisosyanaatti MDI + dimetyylietyyliamiini (DMEA) tai trietyyliamiini (TEA) (polyuretaanimenetelmä, joka on alkuperäisin cold-box-menetelmä) fenoli-formaldehydihartsi (PF) + heksametyleenitetramiini + lämpö fenoli-formaldehydi (PF) + metyyliformiaatti furaanihartsi + ammoniumkloridi tai ammoniumnitraatti + lämpö fenoli-formaldehydihartsi + CO2 furaanihartsi + SO2 Epäorgaaniset vesilasi + CO2 Seuraavassa esitettävät sideainejärjestelmät sopivat käytettäviksi kaikkien valumetallien kanssa. Kuitenkin typpeä (ureaa) sisältävien hartsien käytön tulee olla rajoitettua teräksen valussa, koska suuri typpipitoisuus voi aiheuttaa teräsvaluun kapillaarihuokosia. Tämä on otettava huomioon tehtäessä keernoja furaani- tai hot-box-menetelmällä. Pallografiittivalurautojen valmistuksessa on otettava huomioon, että SO2 -menetelmällä valmistetut keernat voivat lisätä valukappaleiden pintaosien rikkipitoisuutta. Kaikki seuraavilla sivuilla esitettävät keernat voidaan valmistaa mistä tahansa hiekkalaadusta. Menetelmissä, joissa kovettamiseen käytetään happoa, pitäisi käyttää mahdollisimman neutraalia tai hapanta hiekkaa. Siksi oliviinihiekat eivät ole sopivia furaanihartsilla sidottavaksi. Lisäksi fenoliformaldehydihartsi + CO2 -menetelmässä, jossa kovettuminen aktivoituu kun ph-arvo laskee, ei pitäisi käyttää emäksisiä hiekkoja, koska ne hidastavat kovettumisista. Myös muissa cold-boxmenetelmissä hapan hiekka hidastaa ja emäksinen nopeuttaa kovettumista. Cold-box Alkuperäisin cold-box-menetelmä eli polyuretaanimenetelmä on kehitetty USAssa 1960-luvulla. Sideaineina menetelmässä toimivat fenoliformaldehydihartsi (PF) ja polyisosyanaatti (MDI = metyleenibisfenyyli- eli difenyylimetaanidi-isosyanaatti), jotka katalyyttinä toimivan amiinikaasun, yleensä dimetyylietyyliamiini (DMEA) tai trietyyliamiini (TEA), vaikutuksesta reagoivat keskenään muodostaen hiekkarakeet toisiinsa lujasti kiinnittävää polyuretaania. Kovettumisreaktio tapahtuu muutamissa sekunneissa ja irrotus voi tapahtua välittömästi, kun amiinikaasu on puhallettu keernan läpi ja loppuhuuhtelu on tehty. Ilman kaasutusta sideaineet reagoivat keskenään hyvin hitaasti, jonka ansiosta hiekan käyttöaika on pitkä. Keernoissa käytetään lisäaineina rautaoksidia 0,5 1,0 % keernojen halkeamisen tai ennenaikaisen hajoamisen estämiseksi. Menetelmää kutsutaan usein myös nimellä kaasuhartsimenetelmä. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 13
Menetelmän etuja ovat: Keernoilla on hyvä lujuus. Taivutuslujuus voi olla jopa 600 700 N/cm 2, joten voidaan valmistaa paksuja ja monimutkaisia keernoja. Menetelmä on nopea. Keernat ovat tarkkoja ja sileäpintaisia. Keernat on helppo poistaa valun jälkeen (vrt. vesilasikeernat). Keernahiekka on helposti juoksevaa, joten se täyttää keernalaatikon hyvin. Keernahiekkaa (johon on sekoitettu sideaineet) voidaan säilyttää 1-3 tuntiin. Cold-boxkeernoilla on hyvä varastoitavuus. (Keernojen säilyvyys riippuu ilmankosteudesta. Kosteuspitoisuudella 70 % kuuden viikon säilytyksen aikana lujuus laskee n. 15 %.) Keernat voi vesipeitostaa. Menetelmä sopii myös pienille sarjoille. Kuva 19. Cold-box-keernojen valmistaminen keernatykillä. Trietyleeniamiini (TEA) aiheuttaa osalle keernanvalmistajista ohimenevää hämäräsokeutta. Työterveyslaitoksen vuonna 1995 tekemän tutkimuksen mukaan TEA aiheuttamia silmävaikutuksia voi verrata piilolasien aiheuttamaan rasitukseen silmille. Haittaa voi torjua oikeilla työmenetelmillä, oikealla annostelulla, laitteistojen kunnossapidolla sekä konekohtaisella ilmanvaihdolla ja yleisilmanvaihdolla. TEAn HTP-arvo (haitalliseksi tunnettu pitoisuus) on 1 ppm = 4,2 mg/m 3. Dimetyylietyyliamiinilla (DMEA) tätä työhygieenistä haittaa ei ole. DMEA käyttöä puoltaa sekin, että se on teknisesti sopivampaa valmistusprosessiin johtuen sen matalammasta höyrystymislämpötilasta (DMEA 37 C ja TEA 90 C). Matalamman höyrystymislämpötilan johdosta keernojen kaasutusajat ovat lyhyempiä. Cold-box-menetelmällä valmistetut keernat aiheuttavat toisinaan kapillaarihuokoisia rautametallien pintaan. Huokosten oletetaan johtuvan menetelmässä käytettävien sideaineiden palamiskaasuista. Cold-box-keernat valmistetaan tavallisimmin keernatykeillä. Amiinikaasun virtaus keernan läpi määrää kovettumisajan. Mitä suurempi virtausmäärä, sitä lyhyempi kaasutusaika keernan kovettamiseen tarvitaan. Amiinikaasun tulee virrata keernalaatikon läpi mahdollisimman esteettömästi, jotta keernaan muodostuu tasainen lujuus. Keerna huuhdellaan lopuksi pelkällä paineilmalla, jolloin ylimääräinen amiini poistuu. Huuhteluaika on yleensä 2-5 -kertainen kaasutusaikaan nähden. DMEA kaasutusaika on 1-5 sekuntia ja TEA kaasutusaika 5-30 sekuntia. Amiinikaasujen haitallisuudesta johtuen keernanvalmistuskoneet koteloidaan ja varustetaan tehokkailla kohdepoistoilla. Järjestelmästä ei päästetä kaasuja valimon sisäilmaan vaan ne johdetaan pesuriin neutraloitaviksi tai poltetaan. Cold-box-menetelmässä ylikaasutus, eli liian pitkään jatkuva kaasun annostelu, ei aiheuta ongelmia kuten vesilasi+co2 -menetelmässä. Vesilasimenetelmällä valmistetun keernan lujuus laskee voimakkaasti ylikaasutuksen seurauksena. Ylikaasutus ei kuitenkaan ole suotavaa, koska se laskee Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 14
lujuuksia kuitenkin hieman ja on lisäksi ympäristöhaitta. Mitä suljetumpi keernalaatikon ympäristö on, sitä lyhyempi kaasutusaika ja kaasumäärä tarvitaan keernan kovettamiseen. Cold-box-keernoissa käytettävän raakahiekan on oltava sekä kuivaa että kemiallisilta ominaisuuksiltaan neutraalia. Kosteus ja happamuus tai emäksisyys vaikuttavat kovettumisreaktioon. Hapan hiekka hidastaa ja emäksinen nopeuttaa kovettumista. Hiekan optimilämpötila on 15 40 C. Hiekan ja ympäristön kosteus reagoi sideainejärjestelmän komponenttien kanssa muodostaen hiilidioksidia ja polyureaa 1. Polyurea ei vastaa lujuudeltaa polyuretaania. Lisäksi se muodostaa hajoamistuotteena typpikaasua valumetallin lämmön vaikutuksesta. Kaikki hartsimenetelmät ovat herkkiä kosteudelle, mutta cold-box-menetelmä on muihin menetelmiin verrattuna herkempi. Kuorikeernat Kuorimuottimenetelmää vastaavalla keernanvalmistusmenetelmällä tehdään kuorikeernoja. Menetelmässä käytetään samaa hiekkaa kuin kuorimuottimenetelmässäkin eli fenoliformaldehydillä ja heksametyleenitetramiinilla päällystettyä hiekkaa. Valimot ostavat valmiiksi päällystettyä hiekkaa, joten valimoissa hiekan joukkoon ei enää tarvitse lisätä muita aineita. Kuorikeernat valmistetaan kuorikeernakoneissa, joissa hiekan täyttö tapahtuu ylhäältä käsin ja jossa sekä keernalaatikkoa että hiekkasäiliötä voidaan kääntää 180. Menetelmää kutsutaan nimellä kääntö- ja tyhjennysperiaate. Hiekka puhalletaan pienellä paineella 230 260 C lämpötilaan kuumennettuun keernalaatikkoon. Keernalaatikoiden lämmitys tapahtuu joko kaasulla tai sähköllä. Kuumuuden vaikutuksesta hartsi sulaa ja liittää hiekkarakeet toisiinsa, jolloin keernalaatikon pintaa vasten muodostuu 3 15 mm paksuinen kuori. Muodostuvan kuoren paksuus riippuu keernalaatikon lämpötilasta, pitoajasta ja keernan muodosta. Kohdat, joiden paksuus on 20 mm, jäävät tavallisesti umpinaisiksi. Kun riittävän paksu kuori on saatu aikaan, käännetään keernalaatikko takaisin alkuasentoon, jolloin ylimääräinen kovettumaton hiekka putoaa takaisin hiekkasäiliöön. Kuva 20. Kuorikeernojen valmistusperiaate kääntö- ja tyhjennysperiaatteella. Ennen kuin keerna voidaan irrottaa keernalaatikosta, täytyy se vielä paistaa 30-120 sekuntia, jolloin se saavuttaa loppulujuutensa. Keernojen irrottaminen keernalaatikosta tapahtuu ulostyöntötappien avulla. Kuorikeernat ovat pinnanlaadultaan ja mittatarkkuudeltaan erittäin hyviä. Kuorimuotteihin ja keernoihin käytettävän hiekan keskiraesuuruus on 0,15-0,20 mm ja keernojen valmistustarkkuus luokkaa CT 8 10. Lisäksi keernat ovat onttoina kevyitä. Kuorikeernoja ei tarvitse peitostaa ja niiden varastointikestävyys, tyhjennettävyys ja kaasunpoistokyky ovat hyviä. 1 Klaus Löchte, Working with the Cold Box Process in the Coremaking Department of a Foundry, Hüttenes- Albertus Chemische Werke GmbH, 1998 Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 15
Kuorikeernojen kuten myös kuorimuottien valmistuskustannukset ovat korkeita, joten menetelmän kannattavuus edellyttää, että muualla valukappaleen valmistusketjussa syntyy säästöjä, esimerkiksi pienentyneiden työstökustannusten ja vähäisemmän materiaalikulutuksen muodossa. Korkeiden lämpötilojen takia joudutaan käyttämään metallisia keernalaatikoita, joten menetelmä sopii vain sarjana valmistettaville keernoille. Menetelmän haittoja ovat suuri energiankulutus, varusteiden ja hiekan kalleus sekä menetelmän hitaus. Kuva 21. Kaksi kuorikeernakonetta. Kuva 22. Kuorikeernakoneeseen kiinnitetty keernalaatikko. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 16
Kuva 23. Vasemmalla: Kuorikeernalaatikko. Oikealla: Laatikolla valmistettuja keernoja. Kuva 24. Vasemmalla: Kuorikeernakone. Oikealla: Valmis kuorikeerna. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 17
Vesilasi + CO2 Vesilasihiekkojen (Na2SiO3*H2O) kovettuminen perustuu joko veden haihduttamiseen tai sitomiseen kemiallisesti. Kemiallinen reaktio saadaan aikaan esimerkiksi hiilidioksidin (CO2) tai esterin avulla. Hiekan lämpötila vaikuttaa oleellisesti kovettumisnopeuteen, koska lämpö haihduttaa vettä. Vesilasihiekat sopivat sekä muottien että keernojen valmistukseen. Vesilasin kovettaminen tehdään tavallisimmin hiilidioksidin avulla. Kovettumisreaktiot riippuvat paitsi vesilasin moolisuhteesta myös käytetystä hiilidioksidimäärästä. Käytännössä keernojen kovettamiseen tarvitaan hiilidioksidia 1,5-3,0 % hiekan painosta. Ylikaasutusta eli liian pitkään tapahtuvaa kaasutusta tulee välttää, sillä sen seurauksena hiekan lujuus putoaa ja lisäksi se huonontaa keernojen varastointikestävyyttä. Keernanvalmistukseen tarkoitettuun hiekkaan riittää tavallisesti 3,0-3,5 % vesilasilisäys sekä tyhjennettävyyttä parantavia aineita enintään 0,8-1,8 %. Kosteassa ympäristössä keernoilla on taipumus imeä kosteutta itseensä, jolloin niiden lujuus laskee. Tämän takia vesilasikeernojen varastoitavuus on yleensä huono. Vesilasikeernojen etuja ovat esimerkiksi, että niiden valmistamisessa ei käytetä terveydelle tai ympäristölle haitallisia aineita, tarvittavat aineet ovat edullisia, menetelmä on nopea ja ylijäämähiekka on haitatonta. Eräs vesilasikeernojen suurimmista haitoista on niiden huono tyhjennettävyys valun jälkeen. Tyhjennettävyyteen vaikuttaa kuitenkin moni asia, esimerkiksi metallin valulämpötila (Kuva 25). Tyhjennettävyyttä voi parantaa erilaisilla lisäaineilla. Kuva 25. Vesilasihiekkojen jäännöstaivutuslujuuden periaatteellinen riippuvuus metallin valu lämpötilasta. Vesilasikeernat voidaan valmistaa joko koneellisesti keernatykeissä tai käsin. Menetelmissä käytettävät keernalaatikot ovat joko puuta tai muovia. Käsin valmistaminen on sopiva yksittäistuotantoon. Keernatykkiä käytetään sarjana valmistettaville pienille tai keskisuurille keernoille. Vesilasikeernat peitostetaan tavallisesti ennen käyttöä. Peitosteista alkoholipohjaiset polttopeitosteet ovat sopivimpia. Kuva 26. Vesilasihiekkojen kovettaminen CO2- kaasulla: A) Yksittäisellä sondilla, B) monihaaraisella sondilla, C) peittokantta käyttäen ja D) tuoreena irrotetut keernat kaasutuskuvun alla. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 18
Alphaset ja betaset Alphaset- ja betasetkeernoja käytetään yleensä alphasetmuottien kanssa. Alphasetmenetelmässä sideaineena on fenoliformaldehydi (PF) ja kovetteena toimii esteri. Kovettuminen perustuu hiekassa olevien aineiden keskinäiseen reaktioon. Kovettumisnopeutta säädellään esterityypin mukaan, ei määrällä. Hiekkaan sekoitetaan ensin kovetteena toimiva esteri ja sen jälkeen hartsi. Hartsia käytetään 1,2-1,5 % hiekan määrästä ja esteriä n. 15 % hartsin määrästä. Keernat ovat valukelpoisia 2-3 tunnin kuluttua, jolloin ne ovat saavuttaneet lähes lopullisen lujuutensa. Alphasetmenetelmässä keernahiekka valmistetaan jatkuvatoimisella ruuvisekoittimella, josta se voidaan pudottaa suoraan keernalaatikkoon. Hiekan käyttöaika on puolet kovettumisajasta (5-45min.). Keernat voidaan peitostaa heti irrotuksen jälkeen. Menetelmällä valmistetuille keernoille sopivat sekä vesi- että alkoholipohjaiset peitosteet. Alphasetistä on kehitetty toinen versio, jota kutsutaan nimellä betaset. Sideaineet ovat betasetmenetelmässä samat, mutta nestemäistä esteriä ei sekoiteta hiekan joukkoon vaan se kaasuunnetaan ja puhalletaan keernan läpi. Betasetmenetelmän etuja alphasetiin verrattuna ovat hiekan pidempi käyttöaika sekä nopeampi kovettuminen. Betasetkeernat valmistetaan tavallisesti keernatykeissä, mutta ne voidaan valmistaa käsin kuten alphasetkeernatkin. Kaasunkulutus on 25 60 % sideaineen määrästä. Ylikaasutuksen vaaraa ei ole kuten vesilasikeernoilla. Betasetmenetelmä on nopea, jopa nopeampi kuin cold-box ja SO2 -menetelmät, koska keernoille riittää lyhyempi huuhteluaika paineilmalla esterikaasutuksen jälkeen. Esteri ei ole haitallinen kaasu kuten amiini tai SO2 -kaasut. Betasetmenetelmä ei ole korvannut muita keernan valmistusmenetelmiä kuten sen "keksimisen" yhteydessä toivottiin. Syinä tähän on betasetkeernojen huomattavasti heikompi lujuus verrattuna polyuretaani- tai SO2 -menetelmillä valmistettuihin keernoihin sekä esterikaasun ja ilman seoksen räjähdysherkkyys. Räjähdysvaaran torjumiseksi riittää vastaava keernatykin kotelointi ja kohdepoistot kuin cold-box-menetelmässäkin. Alphasetmenetelmällä tehdään tavallisesti isoja keernoja ja betasetillä pieniä ja keskisuuria keernoja, jotka mahtuvat keernatykkeihin. Molempien menetelmien etuja ovat: kovetettu keerna irtoaa helposti keernalaatikosta, keerna on helppo tyhjentää valun jälkeen, sideaineet ovat rikittömiä ja typettömiä sekä menetelmät ovat ympäristöystävällisiä. Furaani Furaanihiekasta valmistettuja keernoja käytetään yleensä furaanihiekasta kaavattujen muottien kanssa. Furaanimenetelmässä sideaineen pääkomponenttina on furfuryylialkoholi (FA) + ureaformaldefydi (UF) tai formaldehydi (F) ja kovetteena toimii fosforihappo H3PO4 tai paratolueenisulfonihappo (PTS) (yleisempi). Furaanimenetelmässä kovettumisen sivutuotteena syntyy vettä, mistä johtuen menetelmä on melko hidas. Keernahiekoissa hartsin määrä on 1,0-1,5 % hiekan määrästä ja PTS:n määrä hartsista 20 40 %. Kovettumisnopeuteen vaikuttaa kovetteen määrä. Kovetteen määrä riippuu halutusta kovettumisnopeudesta ja kovetteina käytettävän hapon voimakkuudesta. Suurempi kovetemäärä kiihdyttää kovettumista, mutta laskee jonkin verran loppulujuutta. Liiallinen kovetemäärä johtaa paitsi lujuuden heikkenemiseen myös irrotusajan pitenemiseen. Normaali irrotusaika on 15-40 minuuttia, mutta kovetteita vaihtamalla alue on laajennettavissa 5-200 minuuttiin. Kovettumisprosessi jatkuu tämän jälkeen vielä useita tunteja, jopa yli vuorokauden. Keernat eivät ole valukelpoisia heti irrotuksen jälkeen vaan vasta n. 5 tunnin kuluttua, jolloin ne ovat saavuttaneet lähes lopullisen lujuutensa. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 19
Kuva 27. Furaanikeernoja. Keernojen valmistuksessa tulee ottaa huomioon samoja asioita kuin furaanihiekoista kaavattavilta muoteiltakin: Hiekan kosteuden tulisi pieni, koska kosteus huonontaa saavutettavaa loppulujuutta ja hidastaa kovettumisreaktioita. Hiekkojen tulee olla puhtaita ja eikä niissä saisi olla emäksisiä aineita. Lämpötila vaikuttaa voimakkaasti kovettumisnopeuteen. Nyrkkisääntönä voidaan pitää seuraavaa: Jos lämpötila nousee 10 C, lyhenee irrotusaika puoleen. Furaanimenetelmän kovettumisreaktio itsessään synnyttää lämpöä, joka nopeuttaa kovettumista. Kovettuminen on nopeampaa puisessa keernalaatikossa kuin metallisessa, koska metalli johtaa paremmin lämpöä ja jäähdyttää samalla tehokkaammin keernaa. Kuva 28. Furaanikeernoja. Kun hiekkaan on sekoitettu sideaineet ja kovete, on keernalaatikko täytettävä pikaisesti. Mitä pidempään valmis hiekka seisoo, sitä pienempi on keernan loppulujuus. Hiekat sekoitetaan tavallisesti jatkuvatoimisilla ruuvisekoittimilla, josta valmis hiekka pudotetaan suoraan keernalaatikkoon. Furaanikeernojen peitostukseen sopii sekä vesi- että alkoholipohjaiset peitosteet. Furaanimenetelmällä keernoista saadaan mittatarkkoja ja pinnanlaadultaan hyviä. Niiden varastointikestävyys ja tyhjennettävyys ovat hyviä. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 20
Hot-box Hot-box-keernanvalmistusmenetelmässä sideaineena toimivat yleisesti joko ureaformaldehydi ja furfuryylialkoholi (UF/FA) tai urea ja fenoliformaldehydi (U/PF). Myös näiden erilaisia yhdistelmiä voidaan käyttää. Yhdistelmän valintaan vaikuttavat mm. käytettävä hiekka ja sen ominaisuudet, keernan koko, haponkulutusarvot ja hiekan lämpötila. Kovetteena käytetään erilaisia ammoniumsuoloja. Hartsia lisätään 1,2-2,0 % ja kovetetta 0,4-0,5 % hiekan määrästä. Kovettuminen alkaa heti kun hiekka puhalletaan kuumennettuun (240 300 C) keernalaatikkoon. Pinnaltaan kovettuneet keernat voidaan poistaa keernalaatikosta 10-60 sekunnin kuluttua. Keernan sisus jatkaa kovettumistaan kuuman kuorikerroksen vaikutuksesta. Hot-box-keernat ovat valukelpoisia parin tunnin kuluttua. Tänä aikana ne saavuttavat lopullisen lujuutensa ja kovettumisreaktion sivutuotteena syntynyt vesi on ehtinyt haihtua pois. Hiekan kovettumista tapahtuu jossain määrin myös ilman lämmön vaikutusta, joten hiekkojen käyttöaika on muutamia tunteja. Fenoliformaldehydihartsien kovettumisnopeus on pienempi kuin UF/FA -hartsien, mutta ne säilyttävät lujuutensa paremmin, vaikka kovetusaika olisi asetettu liian pitkäksi. Ureaa sisältävät hartsit ovat herkempiä kovetusajalel. Mitä korkeampi on keernalaatikon lämpötila, sitä nopeammin tapahtuu kovettuminen. Toisaalta ylipitkä kovettumisaika alentaa lujuutta sitä voimakkaammin mitä korkeampi keernalaatikon lämpötila on. Hot-box-menetelmässä metallinen keernalaatikko kuumennetaan joko kuumennuslevyn päällä, liekillä tai uunissa. Tavallisimmin käytetään kuumennusta nestekaasuliekillä tai sähkövastuksella. Hot-box-koneet toimivat joko yksiasemaisina keernatykkeinä tai ne voivat olla siirtokoneita. Yksiasemaiset koneet sopivat pienille keernoille ja ne varustetaan usein automaattisella keernanpoistolla. Niiden tuotantonopeus on 100 200 keernalaatikon täyttöä tunnissa. Yhdestä keernalaatikosta voi valmistua samanaikaisesti useampia keernoja. Suurille ja monimutkaisille keernoille sopivat paremmin siirto- eli transferkoneet. Tällaisissa koneissa on keernalaatikon täyttöasema keskellä ja sen molemmin puolin kuumennus- ja irrotusasemat. Koneessa on samanaikaisesti kaksi keernalaatikkoa eri vaiheissa. Hot-box-keernoja voidaan valmistaa myös tavanomaisilla keernatykeillä, kunhan niiden viereen tuodaan laitteisto keernalaatikon kuumennusta varten. Lisäksi keernatykin puhalluspäätä on modifioitava sellaiseksi, että siinä on vesijäähdytys. Muussa tapauksessa lämpö kovettaisi myös puhalluspään levyn puhallusreikiin jääneen hiekan. Hot-box-menetelmällä valmistetut keernat ovat erittäin mittatarkkoja, lujia, niiden kaasunläpäisevyys, varastointikestävyys sekä hajoamisominaisuudet valun jälkeen ovat erittäin hyviä. Hotbox-menetelmän haitat ovat samoja kuin muillakin kuumana kovettuvilla hartsimenetelmillä eli: Korkeiden lämpötilojen takia joudutaan käyttämään metallisia keernalaatikoita, joten menetelmä sopii vain sarjana valmistettaville keernoille. Metalliset keernalaatikot ovat kalliita ja niiden lämmittäminen aiheuttaa suuren energian kulutuksen. Lisäksi hot-box-keernat täytyy yleensä peitostaa. Sementti Sementtihiekkakeernoja käytetään ainoastaan sementtimuottien yhteydessä. Portland-sementtiä käytetään 5-12 % hiekan painosta. Lisäksi käytetään kostutusvettä 4-10 % sementin määrästä. Tavallisesti pyritään vesi-sementti suhteeseen 0,8. Hiekan loppulujuus riippuu vesisementtisuhteesta - liian suuri vesipitoisuus heikentää hiekan lujuutta. Keernalaatikko täytetään esimerkiksi paineilmasurvimella tai hiekkasingolla. Sementin kovettuminen perustuu useisiin kemiallisiin reaktioihin. Sen sitoutuminen alkaa muutaman tunnin kuluttua ja päättyy useiden tuntien päästä, joten keerna voidaan irrottaa keernalaatikosta vasta hyvin pitkän ajan kuluttua. Hiekka lujittuu vielä lisää muutamien vuorokausien ajan. Keernalaatikossa on oltava suuret hellitykset tai sen on oltava purettava, jotta keerna saadaan ehjänä ulos. Keernan pinnanlaatu on huono, joten se täytyy peitostaa. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 21
SO2 -menetelmä Vuonna 1982 markkinoille tuli SO2-menetelmä, joka oli muunnelma sitä edeltäneestä furaani + SO2- menetelmästä. Nykyinen SO2-menetelmä on kaksikomponenttimenetelmä, jossa ensimmäisenä komponenttina käytetään epoksi+peroksidia ja toisena akryyliä, joita sekoitetaan hiekkaan yhteensä 0,5 2 %. Peroksina käytetään joko metyylietyyliketoniperoksidia (MEKP) tai vetyperoksidia (H2O2). Aineet eivät reagoi keskenään ennenkuin hiekan läpi puhalletaan katalyyttinä toimiva rikkidioksidikaasu. Menetelmällä on erinomaisen pitkä penkkiaika. Keernan kovettuminen tapahtuu hyvin nopeasti. Pienet keernat kovettuvat 1-2 sekunnissa ja isommat 5-10 sekunnissa. Tällöin ne ovat saavuttaneet n. 90 % lopullisesta lujuudesta. Irrotusvaiheen lujuudet ovat tyypillisesti 10 20 % paremmat kuin cold-box-keernoilla. Loppulujuus saavutetaan muutamassa minuutissa. Rikkidioksidikaasutuksen jälkeen keerna huuhdellaan joko paineilmalla tai typellä. Huuhteluaika on n. 10-60 sekuntia. Ylikaasutuksen vaaraa ei ole. Hiekan tulee olla kuivaa (kosteuspitoisuus alle 0,2 %) ja pölytöntä. Hiekoilla, joilla on suuri haponkulutusarvo saattavat alentaa penkkiaikaa ja lujuuksia. Hiekat voidaan sekoittaa joko annos- tai jatkuvatoimisissa sekoittimissa. Hiekalla on hyvä juoksevuus. Menetelmällä saavutetaan erittäin hyvät lujuudet (loppulujuus 300-500 N/cm 2 ), pisin penkkiaika (24 tuntia) ja paras valutulos. Lisäksi menetelmällä valmistetuille keernoille on ominaista: 1) erinomainen varastointikestävyys, 2) vähäinen herkkyys kosteudelle, 3) mahdollisuus vesipeitostuksen käyttöön heti keernan irrotuksen jälkeen, 4) ne on helppo poistaa valun jälkeen, 5) ne eivät sisällä typpeä, eikä vettä sekä, että 6) ne ovat sileäpintaisia ja mittatarkkoja. Menetelmän haittoja ovat: rikkidioksidikaasun takia vaaditaan kalliit kaasupesuri-investoinnit (rikkidioksidin HTP-arvo on 1 ppm = 2,7 mg/m 3 ) sekä rikkidioksidin syövyttävä vaikutus, jonka takia putkien ja venttiilien on oltava haponkestävää terästä. Vaikka menetelmän kaasunmuodostus on vähäisempää kuin millään muulla orgaanisella sideaineella, rikkidioksidin pistävää hajua on hankala torjua kokonaan. Tätä torjutaan koteloinnilla ja tehokkailla poistoilla. Lisäksi erityisesti pallografiittivalurautojen valmistuksessa on otettava huomioon, että keernat voivat lisätä valukappaleiden pintaosien rikkipitoisuutta. Keernoihin jäävä rikkipitoisuus on n. 0,02 0,025 %. Fenoli-formaldehydihartsi + CO2 Fenoli-formaldehydihartsi + CO2 -menetelmä on kehitetty 1980-luvulla. Menetelmässä sideaineena toimiva fenoli-formaldehydi on liuotettu kaliumhydroksidin (KOH) vesiliuokseen Liuos toimii katalyyttina ja se on voimakkaasti emäksinen. Sideainetta lisätään 1,8 3,0 % hiekan määrästä ja CO2:n kulutus on noin 0,5 2,0 % hiekan määrästä. Kun CO2-kaasu johdetaan keernan läpi, laskee ph-arvo ja kovettuminen aktivoituu. Keernan irrotusaika vaihtelee muutamasta kymmenestä sekunnista reiluun minuuttiin, mutta kovettuminen jatkuu yli vuorokauden kosteuden haihtuessa. Menetelmään voidaan käyttää sekä annos- että jatkuvatoimisia sekoittimia. Penkkiaika on yleensä joitakin tunteja, mutta jos hiekan lämpötila on 30 C, penkkiaika putoaa vain yhteen tuntiin. Hiekkojen valmistukseen ei suositella käytettäväksi oliviinihiekkoja niiden emäksisyyden takia eikä myöskään hiekkoja, joiden haponkulutusarvo on korkea, koska tällöin kovettuminen hidastuu. Keernat valmistetaan tavallisesti keernatykeissä. Keernaa ei tarvitse huuhdella kaasutuksen jälkeen. Kovettuminen on hitaampaa kuin muissa kaasukovetteisissa keernanvalmistusmenetelmissä, samaa luokkaa kuin vesilasi + CO2 -menetelmässä. Tyhjennettävyys on tyydyttävä, mutta parempi kuin vesilasi + CO2 -menetelmällä. Peitostus voidaan tehdä sekä vesi- että alkoholipohjaisilla peitosteilla. Menetelmän etuna on, että CO2 -kaasu on hajutonta. Keernoja ei myöskään tarvitse huuhdella, koska kaasu ei ole ärsyttävä eikä siten myöskään tarvita kaasunpesureita. Lisäksi keernat kovettuvat valun aikana lämmön vaikutuksesta, mikä vähentää valuvikoja, kuten eroosiosta johtuvia sulkeumia ja halkeamapurseita. Kaasujen kehittyminen valun aikana on vähäistä. Keernat eivät sisällä typpeä eivätkä rikkiä. Näistä huolimatta menetelmä ei ole saanut suurta suosiota johtuen sen huonoista lujuusominaisuuksista. Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 22
Taulukko 2. Keernanvalmistusmenetelmien vertailu. Lähde: BCIRA broadsheet 307 - "Moulding and coremaking processes - a guide to their selection" Menetelmä Lujuus Pinnan-laatu / mittatarkkuus Kaasujen kehittyminen valussa Koko Hiekan penkki-aika Keernan irrotusaika Edut Haitat cold-box HY HY HY SM 1-3h 10 20 s nopeus, lujuus, tarkkuus, voidaan vesipeitostaa TEA:n työhygieeniset haitat, kapillaarihuokoset kuorikeernat HY HY HU SM - 1-3 min kevyitä, ei tarvitse peitostaa hyvä kaasunpoisto kallis hiekka, metalliset keernalaatikot, energian kulutus suuri vesilasi+co2 TY TY HY SML 4-6 h 10 75 s Käytettävät aineet edullisia ja haitattomia huono tyhjennettävyys, vältettävä ylikaasutusta, vaatii alkoholipeitosteen alphaset TY TY HY SML <20 min 5-60 min irtoaa helposti keernalaatikosta, helppo tyhjennettävyys, ei rikkiä / typpeä heikko lujuus, hiekan lyhyt penkkiaika betaset TY HY HY SM 1-3 h 10 20 s irtoaa helposti keernalaatikosta, helppo tyhjennettävyys, ei rikkiä/typpeä heikko lujuus, räjähdysvaara furaani HY TY TY SML <20 min 5-60 min Hyvä varastointikestävyys, lujuus ja tyhjennettävyys hiekan lyhyt penkkiaika hot-box HY HY TY SM 0,5-4 h 10 60 s Hyvä varastointikestävyys, tarkkuus, lujuus ja tyhjennettävyys kallis hiekka, metalliset keernalaatikot, energian suuri kulutus sementti TY TY HY L 1-3 h 0,5-3 h Käytetään sementtimuoteissa huono pinnanlaatu, huono tyhjennettävyys SO2 - menetelmä HY HY HY SM 24 h 10 20 s Erinomainen lujuus, valutulos, penkkiaika ja varastoinnin kestävyys SO2, rikkiä valukpleisiin resolihartsi + CO2 TY HY HY SM 1-4h 10-75s Ei typpeä eikä rikkiä, CO2 on turvallinen ja hajuton kaasu HY = Hyvä, TY = Tyydyttävä, HU = Huono, S = small, M = medium, L = large heikko lujuus, hitaampi kuin muut kaasukovetteiset menetelmät Muokattu 29.10.2015 (Tuula Höök) - Keernanvalmistus - 23