Prednosti sol gel postopka

Sol-gel proces ima številne prednosti: [1]

 omogoča sintezo materialov s katero koli oksidno sestavo.

 Kemijski procesi v prvih korakih vedno potekajo pri nizkih temperaturah, kar znatno zmanjša interakcijo med materialom in stenami posode.

 Postopek povezovanja trdnega koloidnega stanja s tekočim medijem preprečuje onesnaženja z morebitnim razprševanjem prahu.

 Obdelava s sol-gel tehnologijo omogoča enostavno kontrolo kinetike kemijskih reakcij z nizko temperaturo obdelave. Nukleacija in rast primarnih koloidnih delcev omogočata delce z določeno obliko, velikostjo in porazdelitvijo velikosti.

6 2.2. LITJE V PEŠČENE FORME

Litje v peščene forme velja za enega izmed enostavnejših postopkov. Forme (kalupe) pri postopku litja v peščene forme izdelujemo iz peščenih mešanic, ki se lahko po končanem litju porušijo in regenerirajo (slika 4). [7]

Slika 4: Posnetek gravitacijskega litja v enkratno formo [8]

Pri litju v enkratne forme uporabimo model, ki ga postavimo v dvodelno ravnino in je sestavljen iz livarskega peska. Livarski pesek temelji nakremenovi osnovi z dodatkom gline, ki zagotavlja dovolj veliko trdnost. Iz posušene peščene forme nato odstranimo model in formo s talino napolnimo prek livnega kanala. Forma mora imeti še oddušnik preko katerega uhaja zrak. Po strditvi peščeno formo razbijemo in dobimo ulitek, ki pa ga je potrebno še ustrezno obdelati.

[7]

2.2.1. Izdelava form

Livarske forme razdelimo v forme za enkratno in večkratno ali trajno ulivanje. V forme za enkratno ulivanje ulijemo litino in jo po končanem strjevanju razbijemo. Mešanico regeneriramo (obnovimo tehnološke lastnosti in sestavo), da jo lahko ponovno uporabimo pri formanju. Pri trajni formi se ulivanje odvija - ponavlja toliko časa, dokler ne pride do poškodb ali obrabe forme.

2.2.2. Materiali za izdelavo peščene forme

Obstajajo tri glavne komponente za izdelavo enkratne peščene forme za ulivanje litine:

 Osnovni ognjevzdržni material je livarski pesek, ki služi kot polnilo in je glavna sestavina mešanice. Najbolj pogost material je kremenov pesek, ki mora vsebovati najmanj 98 mas.% SiO2. [7]

7

 Veziva so snovi organskega in anorganskega izvora, ki jih primešamo k osnovnemu ognjevzdržnemu gradivu, da dobimo vezivno mešanico. Osnovna naloga veziva je, da daje formi potrebno trdnost in druge lastnosti. V osnovi veziva ločujemo po načinu delovanja oziroma postopka. Način izbire veziva je odvisen predvsem od postopka izdelave form in osnovnih lastnosti formarskih mešanic (trdnostne lastnosti, prepustnost, natezna trdnost, stisljivost, deformabilnost, itd). [7]

 Dodatki, ki jih vmešavamo livarskim mešanicam, vplivajo le na določene lastnosti.

Razdelimo jih v dve skupini:

o Dodatki za tvorbo svetlečega ogljika

Ta dodatek je svetleči ogljik, ki se razlikuje od grafita. Preprečuje omočenje kremenovih zrn z oksidi taline in daje ulitkom gladko površino. Snovi, ki tvorijo svetleči ogljik so premogov prah, naravne ali umetne smole, olja itd. Pri uporabi svetlečega ogljika moramo paziti na varnostne predpise, saj so snovi lahko zdravju škodljive. [7]

o Ostali dodatki

Med ostale dodatke spadajo predvsem škrobni dodatki, železov oksid, žveplo, borova kislina, glikol in silani. Pri vsakem dodatku je potrebno upoštevati varnostne predpise. [7]

2.3. LIVARSKI PREMAZI

Livarski premazi vplivajo na izboljšanje kakovosti površine ulitkov. Pri uporabi premazov je med drugim potrebno razumeti njihove mehanske lastnosti, vplive na kovino in peščeno mešanico ter kemijsko sestavo. [9]

Uporaba sol-gel procesa sodi med novejše tehnologije, ki se ukvarjajo z razvojem livarskih premazov. Premazi se uporabljajo za različne namene: za protikorozijsko obstojnost, toplotno pregrado, odpornost proti obrabi, za doseganje kakovostnih površin ulitkov, zlasti v zapletenih notranjih kanalih in tako dalje. [9]

Površina ulivanja je v veliki meri odvisna od razvrščanja delcev peska, vendar pa je potrebno upoštevati tudi druge dejavnike, na primer sposobnost odvajanja plinov, ekonomično porabo veziva in drugo. [9]

Pri polnjenju forme je njena površina toplotno, mehansko in fizikalno-kemično podvržena spremembam. Peščene forme in jedra so porozna, zato je izdelava ulitkov brez napak v teh materialih možna le z zaščito površin s premazi. [9]

Da bi lahko na trgu livarne postale konkurenčne, sta njihova prednostna cilja nadzor kakovosti ulivanja in povečanje produktivnosti. [9]

Cilj diplomske naloge je predstaviti nov pogled na sodobno tehnologijo v industriji livarskih premazov.

8 2.3.1. Skupine livarskih premazov

Livarske premaze delimo v dve skupini, in sicer na suhe in na mokre.

 Premazi za suho nanašanje

Za suho nanašanje se najpogosteje uporablja Plumbago. Plumbago je fino mleta mešanica grafita, vsebuje 80 do 90 mas.% delcev, velikosti do 75 μm. Grafit je lahko amorfen, to pomeni, da je brez določene kristalne strukture ali pa da je kristaliničen. [9]

 Premazi za mokro nanašanje

Za mokro nanašanje uporabljamo dve vrsti premazov, in sicer premaze v obliki prahu ali paste:

Premazi na osnovi ogljika vsebujejo več vrst grafita, koksa, antracita oziroma katero koli od kombinacij naštetih snovi.

Premazi brez ogljika lahko vsebujejo kremen, cirkonovo moko, magnezit, smukec, …

Livarski premazi za mokro nanašanje se delijo na dve skupni, in sicer na premaze na vodni osnovi in na premaze na osnovi organskih topil.

2.3.2. Komponente livarskih premazov

Livarski premaz mora imeti naslednje značilnosti: [9]

 zadostne ognjevzdržne lastnosti,

 dober oprijem za preprečevanje drsenja,

 prepustnost, da zmanjšuje ujemanje zraka,

 dobro nanašanje,

 hitro sušenje,

 dobra stabilnosti pri skladiščenju,

 dobra prekrivnost.

2.3.3. Sestava premaza

V livarnah se ognjevzdržni premazi uporabljajo za premazovanje peščenih jeder in form.

Namen premazov je zagotavljanje gladkih površin ulitka, prekrivanje neravnih poroznih površin in preprečevanje penetracije taline. [10]

Da bi premaz dosegel želene lastnosti, mora biti sestavljen iz (slika 5):

 ognjevzdržnega polnila,

 tekočega nosilca,

 suspenzijskega sredstva,

9

 veziva.

Slika 5: Shematski prikaz premaznih komponent [9]

Ognjevzdržno polnilo so snovi ali minerali, ki imajo visoka tališča. Temperatura taljenja ognjevzdržnih materialov je pomembna značilnost, ki prikazuje maksimalno temperaturo uporabe in predstavlja solidus temperaturo, ki se uporabljajo v visokotemperaturni kemiji, metalurgiji in keramiki.[9]

V premazih ognjevzdržni materiali povečujejo njegovo gostoto, viskoznost in trdoto ter zmanjšujejo prepustnost.

Poleg naštetih, mora ognjevzdržni material vsebovati še nekatere druge lastnosti:

 primerna oblika, velikost (PS) in porazdelitev velikosti delcev (PSD),

 ognjevzdržni material mora biti kemično inerten s staljeno kovino,

 čistost in dosleden pH.

Običajno ognjevzdržno polnilo sestavlja 50 do 70 mas.% premaza. Polnila so izbrana glede na velikost in obliko delcev, gostoto, temperaturo tališča, toplotno prevodnost in razteznost ter glede na reaktivnost do kovine, ki jo ulivamo. Z nanosom ognjevzdržnih premazov na površino forme in jedra, ki bodo v stiku s staljeno kovino, ognjevzdržni delci ob sušenju napolnijo pore ter ustvarijo gladko inertno površino. [9]

Najpogostejša ognjevzdržna polnila so:

 kremenova moka oziroma silikonsko polnilo,

 cirkonova moka,

 grafitni ognjevzdržni material,

 olivin,

 smukec,

10

 gline.

Tekoči nosilec je medij, ki vsebuje sestavine premaza in služi kot sredstvo za transport polnilnih materialov za peščeno mešanico. Zato so premazi običajno suspenzije ognjevzdržnih materialov z visokim tališčem v tekočem nosilcu.

Tekoči nosilec tvori približno 20 do 40 mas.% premaza. Po nanosu moramo premaz posušiti, da preprečimo tvorjenje plinov, ki nastanejo, ko se vroča kovina oziroma zlitina ulije v formo.

Tvorba plinov namreč lahko povzroči napake. [9]

Pri izbiri tekočega nosilca moramo biti pozorni na naslednje dejavnike:

 način sušenja,

 vnetljivost in lastnosti gorenja,

 toksičnost in vonj,

 združljivost tekočega nosilca z vezivom in/ali ognjevzdržnim materialom.

Najpogosteje uporabljena nosilca sta tista na vodni osnovi in na osnovi organskega topila. [9]

Vzdrževanje trdnih delcev v suspenziji dosežemo z dodajanjem suspenzijskih snovi. Ta sredstva zagotavljajo suspenzijski sistem, ki preprečuje, da bi se delci polnila med daljšim skladiščenjem premaza kopičili in izločili.

Z uporabo suspenzijskega sredstva zagotavljamo, da bo premaz homogen in pripravljen za takojšno uporabo.

Suspenzijsko sredstvo prav tako določa viskoznostne lastnosti premaza in je zasnovano tako, da ustreza tisti metodi nanašanja, ki jo uporabljamo. Suspenzijsko sredstvo v premazu običajno predstavlja od 1 do 5 mas. %. [9]

V primeru, da je nosilna tekočina voda, se kot suspenzijsko sredstvo uporablja bentonitna glina.

Pri nosilnih sistemih na osnovi organskega topila, pa se uporabljajo različna suspenzijska sredstva. Najpogostejši je modificirani bentonit, bolj znan kot organski bentonit ali benton. [9]

Vezivna sredstva so različni materiali, ki povežejo ognjevzdržne delce in jih pritrdijo na površino peščene mešanice. Pomembno je določiti minimalno količino vezivnega sredstva, saj premajhna količina povzroči slab oprijem, prevelika količina pa povzroči, da je premaz krhek in lahko pri sušenju poči.

Veziva predstavljajo do 5 mas. % premaza. Veziva, ki se uporabljajo za vodne suspenzije vključujejo sulfidni lug, različne gline, estre, smole in tako dalje. [9]

2.3.4. Metode nanašanja premazov

Premaze nanašamo na različne načine. Nanašamo jih lahko s čopičem ali krpo, jih pršimo, nanašamo jih tudi s potapljanjem ali polivanjem, način pa je odvisen od proizvodnega procesa.

Izbiro načina uporabe narekuje več spremenljivk.

Na vrsto nanosa vplivajo geometrija in velikost delcev ter videz prevleke in stopnja izdelave.

Aplikacija je odvisna od velikosti in zunanjih vplivov. Nanašanje je mogoče opravljati robotsko ali pa ročno. [9]

11 Eden izmed najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na izbiro pri metodah nanašanja, je prenos učinkovitosti premaznega materiala. Učinkovitost prenosa je odstotek uporabljenega premaza, ki se dejansko nanese na površino izdelka.

V primerih, ko lahko trdimo, da je izbira učinkovita zaradi visoke učinkovitosti prenosa, to pomeni, da se izbira izkaže kot učinkovita, ko se več prevlečenega materiala oprime izdelka in se ga manj izgubi. [9]

V številnih livarnah uporabljajo metode nanašanja s čopičem ali krpo. Nanašanje s krpo je najbolj uporaben način, saj z njim lahko dosežemo tudi težko dostopne dele (slika 6).

Oba načina povzročata neenakomerno debelino, na določenih mestih pa so lahko vidne tudi sledi čopiča ali krpe. Rezultat je v veliki meri odvisen od spretnosti operaterja. [9]

Slika 6: Nanašanje premaza s pomočjo čopiča [11]

Pršenje sodi med veliko hitrejše načine nanašanja. Pogosto se uporablja v livarnah vseh vrst.

Pomembno je, da večjo pozornost namenimo sestavi premaza, saj je potrebno manj mehaničnega napora, da potisnemo delce v pore med zrni peska (slika 7).

Slika 7: Tehnika pršenja [12]

12 Izbira trdnih snovi (ognjevzdržni material) in viskoznost sta pomembnejši pri uporabi razpršenih premazov, kot pri nanašanju s čopičem in krpo. Ko se poslužujemo pršilnih metod, namreč uporabljamo za to posebej izdelane pršilne naprave. [9]

Tehnike potapljanja lahko opišemo kot postopek, pri katerem se forma potopi v tekočino ali premaz in se nato pri ustrezni temperaturi umakne z nadzorovano hitrostjo (slika 8). Debelina prevleke se poveča z višjo hitrostjo umikanja. Hitrejši kot je umik, več premaza povlečemo na površino forme, saj ni dovolj časa, da bi premaz stekel nazaj do bazena.

Slika 8: Tehnika potapljanja forme ali jedra [13]

Potapljanje v premaz se običajno uporablja za jedra in je zelo primeren za avtomatske aplikacije, izboljšuje namreč kvaliteto proizvodnje in omogoča visoko učinkovitost prenosa.

Učinkovitost premaza je močno odvisna od viskoznosti, do katere pride pri izpostavljenosti na zraku. Če želimo doseči visoko kakovost premaza, mora viskoznost ostati praktično nespremenjena (slika 9). [9]

Slika 9: Shematski prikaz metode nanašanja premazov - dip coating - oziroma potapljanja [9]

Substrat

premaz Nanešen premaz

Točka stagnacije

13 Polivanje je metoda nanašanja ognjevzdržne prevleke, ki jo lahko opišemo kot močenje form ali težkih jeder z vrtilno cevjo pri nizkih tlakih. S pretokom formo ali jedro obrnemo tako, da je pred operaterjem postavljena pod kotom 20^o do 40^o. Premaz nanesemo skozi cev od zgoraj in v stranskih gibih postopoma deluje navzdol do dna (slika 10).

Polivanje običajo uporabljamo za velike ali nenavadno oblikovane izdelke / dele, ki jih je težko potopiti. Metoda je hitra in enostavna ter zahteva malo prostora, vključuje nizke stroške namestitve, zahteva nizko vzdrževanje in malo delovne sile. Učinkovitost metode pa je tudi več kot 90 %. [9]

Slika 10: Prikaz metode nanašanja premazov – polivanja, model je nagnjen pod kotom [9]

2.3.5. Sušenja premazov

Po nanosu premazov je treba vsako prevleko tudi posušiti, kar pomeni, da moramo suspenzijsko sredstvo (vodo, alkohol ali hlapna sredstva) popolnoma odstraniti. Suspenzijska sredstva namreč lahko prodrejo v material forme ali jedra in s tvorbo plinov, poroznostjo, mehurji ali ujetjem žlindre, zmanjšujejo trdnost forme ter povzročajo resne težave. [9]

 Sušenje premazov na osnovi organskih topil

V preteklosti so v livarnah uporabljali nosilce na osnovi topil, ki se sušijo brez sušenja na zraku (samosušeči premazi). Zaradi krajšanja dolgotrajnega procesa sušenja so uporabljali plamenske gorilnike. Danes pa različni dejavniki, kot so: skrb za okolje, zdravje in varnost delavcev, ekonomski vidiki, ki izhajajo iz naraščajočih cen in stroškov topil, spodbujajo in krepijo razvoj tehnologij premazov na vodni osnovi. [9]

 Sušenje premazov na vodni osnovi

Sušenje premazov na vodni osnovi je v zadnjem desetletju za inženirje in znanstvenike postalo nov izziv. Premaz namreč sušimo z uporabo zračnega sušenja in običajnih peči, kar zahteva daljši čas sušenja, temperatura sušenja pa mora presegati 100℃. [9]

Sprememba barve, do katere pride, ko se premaz posuši in preide iz mokrega v trdno stanje, je pomemben dosežek v razvoju novih tehnologij pri premazih na vodnih osnovi (slika 11). Ta pristop oziroma tehnologija ponudi vizualno potrditev, da je premaz suh in nam služi tudi kot orodje za nadzor kakovosti. [9]

14 Slika 11: Sušenje premazov na vodni osnovi, kjer pride do spremembe barve, ko se premaz posuši [9]

2.3.6. Parametri premazov

Specifična gostota je fizikalna količina za merjenje razmerja med težo in prostornino telesa.

Služi kot hitri test, ki omogoča sklepanje o celotni trdni snovi in ognjevzdržnih komponentah, ki so prisotne v premazih. [9]

Viskoznost je lastnost tekočin in plinastih snovi, ki se uporablja pri merjenju lastnosti pretoka materiala. Viskoznost oziroma notranje trenje je fizikalna količina, določena kot razmerje med strižno napetostjo in strižno hitrostjo in nam sporoča količino notranjega trenja tekočin.

Viskoznost je v veliki meri odvisna od spremembe temperature. [9]

Vsebnost trdne snovi je v premazu potrebno izmeriti, ker ognjevzdržni materiali zagotavljajo zaščito form. Premaz nudi večjo zaščito, če je odstotek ognjevzdržnih delcev večji. Vsebnost trdne snovi v premazu določa tudi nekatere druge parametre, kot so gostota, viskoznost, debelina, pokrivnost. [9]

Baume parameter je najpogostejši parameter, ki se uporablja za nadzor premaza, ker je hiter in enostaven. Poskus se izvede z areometrom in meri gostoto. [9]

Koloidna stabilnost opisuje nastanke enakomerne suspenzije delcev v premazu. Stabilnost delcev določa njihova odpornost na agregacijo. [9]

15

3. EKSPERIMENTALNI DEL

Eksperimentalen del smo izvajali na Katedri za metalurško procesno tehniko v laboratoriju za Termodinamiko materialov. Cilj naloge je bil ugotoviti, kakšen je vpliv sol gel premaza na kakovost površine jekla AISI 316.

Premaz, ki je bil izdelan 13. 11. 2019, smo v diplomski nalogi označevali s SP – stari premaz.

Premaz izdelan 12. 03. 2021 pa smo označevali z NP – novi premaz.

3.1.PRIPRAVA PREMAZA

Vodnemu premazu s cirkonijevim polnilom – Aquadur ZP (Exoterm it d.o.o.), s sestavo (sliki 12, 13):

 83 mas.% ognjevzdržno polnilo (Cirkon, Aluminijevi silikati)

 2 mas.% organsko vezivo

 15 mas.% voda

Smo dodali 15 mas. % sol gel komponent. [14] S sestavo:

 voda,

 H2SO4,

 TiCl4,

 organski polimer.

Slika 12: Stari premaz - SP z 15 mas.% sol gel komponente

16 Slika 13: Stari premaz, ki se je po določenem času ločil na dve sestavini (zgoraj se nahaja sol, spodaj

pa premaz)

Z očiščenim izvijačem smo premaz premešali. Do končne homogenizacije smo premaz mešali približno 25 minut (slika 14).

Slika 14: Proces mešanja premaza s solom

Postopek homogenizacije premaza smo opravili tudi pri NP. Po opravljeni homogenizaciji je bil premaz pripravljen za uporabo (slika 15).

17 Slika 15: Novi premaz aquadur ZP z dodatkom sol gel komponente

3.2. PRIPRAVA MERILNIH CELIC

Najprej smo celice očistili s čopičem. S tem smo zagotovili gladko notranjost površine na katero smo nanesli premaz Aquador ZP + 15 mas.% sol, ki je narejen na vodni osnovi. Croning merilne celice za ETA smo premazali s čopičem, saj je to optimalno glede na našo velikost peščene celice. Na predhodno očiščene celice (slika 16) smo s čopičem nanesli že homogeniziran premaz. Način premazovanja in čiščenja smo opravili enako na vseh celicah.

Slika 16: Notranjost peščene croning celice

Preden smo začeli s premazovanjem peščenih celic, smo izdelali izvrtine za vstavljanje termoelementa (slika 17). Na štirih celicah smo zvrtali luknjo na obeh straneh, na preostalih treh pa smo to izvedli le na eni strani. Po opravljenem sušenju premaza smo skozi odprtini vstavili termoelemente tipa R(Pt-PtRh).

18 Slika 17: Izdelava vrtine za vstavljanje termoelementa

Celice smo začeli premazovati po opravljenem vrtanju in ponovnem čiščenju. Namazali smo samo notranjo površino celice v katero smo ulivali jeklo AISI 316. Jeklo smo ulivali v tri celice s SP, tri celice z NP, ter v eno celico brez premaza (slika 18).

Slika 18: Celice premazane z premazom in ena celica brez premaza za primerjavo

Za zaščito termoelementa tipa R smo zvar termoelementa pomočili v premaz, saj bi brez tega pri visokih temperaturah kovinska talina uničila termoelement (slika 19).

Slika 19: Termoelementi potopljeni v premaz

19 3.3. SUŠENJE PEŠČENIH CELIC

Premazane celice smo nato postavili v sušilnik znamke ST 80 elektromehanika Labonova.

Najprej smo nastavili temperaturo na 105℃ za 30 minut, nato pa smo še za 12 minut povišali temperaturo na 200℃ (slika 20).

Slika 20: Celice postavljene v sušilnik in pripravljene na sušenje

Po 42 minutah smo ugasnili sušilnik in pustili celice v sušilniku, da so se počasi ohladile na sobno temperaturo (slika 21).

Slika 21: Posušeni premaz na peščenih croning celicah

3.4. PRIPRAVA CELIC NA ULIVANJE

Med pripravo merilnih celic smo pripravili tudi termoelemente, ki smo jih vstavili v peščene celice. V štiri croning merilne celice smo vstavili kvarčne cevke skozi katere smo vstavili termoelement tipa R. V preostale tri celice smo termoelemente, prehodno pomočene v premaz, namestili na ustrezno mesto v livni votlini celice.

Ko so bile peščene celice pripravljene, smo jih po robovih namazali z lepilom Klebeks C. V zvrtane luknje smo namestili ustrezne kvarčne cevke in skupaj stisnili spodnjo in zgornjo peščeno celico. Z lepilom smo nato namazali še zunanji rob na mestih, kjer se dve celici stikata, in na celice položili utež (slika 22).

20 Slika 22: Nanos lepila na robove obeh polovic celice z že vstavljeno kvarčno cevko

Na obeh straneh smo štirim celicam skozi zvrtani luknji vstavili termoelement tipa R (Pt-PtRh), in zaščitili obe žici s kvarčnimi cevkami. Kvarčne cevke so med ulivanjem jekla zaščitile termoelement.

Preostalim trem celicam smo robove namazali z lepilom Klebeks C. V zvrtani del smo na ustrezno mesto vstavili termoelement (slika 23).

Slika 23: Vstavitev termoelementa v celico, ki je imela robove premazane z lepilom

Vse celice so bile zlepljene po notranjih robovih, pa tudi po zunanjem robu, na mestih, kjer se dva dela stikata. Pustili smo, da se je vse dobro posušilo (slika 24).

Slika 24: Pripravljena merilna celica - obe žici termoelementa sta zaščiteni s kvarčno cevko in priključeni na kompenzacijski vodnik

21 Taljenje v indukcijski peči in ulivanje jekla je potekalo na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani. Ulivali smo jeklo AISI 316 (tabela 2).

Tabela 2: Kemijska sestava jekla AISI 316 (mas. %)

% C % Si % Mn % S % Cr % Ni % Cu % Mo % N

0,022 0,43 1,80 0,022 18,4 9,2 0,14 0,15 0,017

Štiri vnaprej pripravljene merilne celice izdelane po postopku Croning, smo pripravili na ulivanje jekla AISI 316 (slika 25).

Slika 25: Celice pripravljene na ulivanje jekla AISI 316

Preostale tri celice smo postavili na pesek, saj bi lahko prišlo do izliva taline, hkrati pa smo z

Preostale tri celice smo postavili na pesek, saj bi lahko prišlo do izliva taline, hkrati pa smo z

In document DIPLOMSKO DELO (Strani 17-0)