UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
DIPLOMSKO DELO
TARA GUDŽULIĆ
LJUBLJANA, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO
TESTIRANJE PREMAZOV, KI SE UPORABLJAJO ZA LITJE V PEŠČENE FORME IN SO NAREJENI PO
POSTOPKU SOL-GEL
DIPLOMSKO DELO
TARA GUDŽULIĆ
LJUBLJANA, september 2021
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY
TESTING OF COATINGS USED FOR CASTING IN SAND FORMS AND MADE BY THE SOL-GEL
PROCEDURE
DIPLOMA WORK
TARA GUDŽULIĆ
LJUBLJANA, September 2021
iv PODATKI O DIPLOMSKEM DELU
Število listov: 45 Število strani: 33 Število slik: 46 Število preglednic: 2
Število literaturnih virov: 14 Število prilog: /
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Metalurške tehnologije
Komisija za zagovor diplomskega dela:
Predsednik:prof. dr. Milan Bizjak Mentor: prof. dr. Jožef Medved
Somentor: Janko Čevka (Exoterm d.o.o.) Član:prof. dr. Primož Mrvar
Ljubljana,...:
v ZAHVALA
V prvi vrsti bi se rada zahvalila prof. dr. Jožefu Medvedu za mentorstvo, korektnost in pomoč pri izdelavi diplomskega dela.
Zahvala gre tudi teh. sod. Edvardu Rogliču, ter doc. Maji Vončina za strokovno mnenje, ter pomoč pri izvajanju eksperimentalnega dela.
Posebna zahvala gre tudi članom z Inštituta za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani, ki so mi pomagali pri ulivanju celic.
Prav tako se za sodelovanje in možnost raziskave s pomočjo njihovih premazov zahvaljujem podjetju Exoterm-it d.o.o.
Posebna zahvala gre družini in kužku Lotu, vsi so me celotno študijsko pot podpirali, spodbujali in mi pomagali.
Seveda pa gre zahvala tudi prijateljem, ki so mi pri študiju in diplomskem delu vedno pomagali in me podpirali.
vi IZVLEČEK
Premazi so v livarski industriji znani kot pomožni materiali pri ulivanju taline v peščeno formo. Za doseganje želenih lastnosti morajo biti sestavljeni iz ognjevzdržnega polnila, tekočega nosilca, suspenzijskega sredstva, veziva in v našem primeru tudi sol-gel komponente. Namen uporabe premazov je: ustrezna površin ulitka, prekrivanja neravnih poroznih površin ter preprečevanje penetracije taline in reakcije s peščeno mešanico. Sol-gel postopek je metoda kemijske sinteze, ki se običajno uporablja pri zaščiti anorganskih materialov, kot so kovine, steklo in keramika, lahko pa se uporabljajo tudi v metalurški industriji, kjer so različni materiali v stiku s staljeno kovino.
V diplomski nalogi smo preiskovali sol-gel premaz kot zaščito peščene forme pri litju jeklene litine. Uporabili smo premaz s cirkonijevim polnilom – Aquadur ZP (Exoterm- it), s sestavo: 83 mas.% ognjevzdržno polnilo (ZrO2), 2 mas.% organsko vezivo in 15 mas.% voda. Osnovnemu premazu smo dodali sol-gel komponento.
Pri eksperimentalnem delu smo opravili preizkuse litja jeklene litine ujete v merilne celice izdelane po postopku Croning. Analizirali smo potek strjevanja, površino jeklenega ulitka in morebitno reakcijo peščene mešanice in jeklene litine.
Izvedli smo vizualno analizo površine ulitkov ter ugotavljali, kolikšna količina peska se je "pripekla" na površino ulitkov. Ulivanje je potekalo v dveh serijah. V prvi seriji smo
"pripečeni" pesek opazili na površini vzorcev U2 in U3, ta se je nahajal le v majhnih količinah. Notranjost croning merilne celice je bila v primeru U2 premazana s SP v primeru U3 pa z NP. Pri drugi seriji ulivanja je "pripečeni" pesek ostal na površini vzorcev U6 in U7. Notranjost croning merilne celice je bila pri U6 premazana z NP, pri vzorcu U7 pa notranjosti celice nismo premazali.
Meritve so pokazale, da se je premaz dobro obnesel med ulivanjem, da ni kemično reagiral s talino in merilnimi celicami izdelanimi po postopku Croning, ter da je pripomogel k zmanjšanju "pripečenega" peska na vzorce ulitkov.
Ključne besede: sol-gel premazi, jeklena litina, enostavna termična analiza, reakcija med formo in talino
vii ABSTRACT
Coatings are known in the foundry industry as auxiliary materials for casting melt into a sand mold. To achieve the desired properties, they must consist of a refractory filler, a liquid carrier, a suspending agent, a binder and, in our case, a sol-gel component.
The purpose of the application of coatings is: suitable surfaces of the casting, covering uneven porous surfaces and preventing the penetration of the melt and the reaction with the sand mixture. The sol-gel process is a method of chemical synthesis commonly used to protect inorganic materials such as metals, glass and ceramics, but can also be used in the metallurgical industry where various materials are in contact with molten metal.
In the diploma thesis we investigated the sol-gel coating as protection of the sand form in the casting of steel cast iron. We used a coating with zirconium filler - Aquadur ZP (Exoterm-it), with the composition: 83 wt.% Refractory filler (ZrO2), 2 wt.% Organic binder and 15 wt.% Water. A sol-gel component was added to the base coat.
In the experimental work, we performed tests of casting steel cast iron trapped in measuring cells made by the Croning procedure. We analyzed the solidification process, the surface of the steel casting and the possible reaction of the sand mixture and cast iron.
We performed a visual analysis of the surface of the castings and determined how much sand had "burned" on the surface of the castings. The casting took place in two series. In the first series, calcined sand was observed on the surface of samples U2 and U3, which was found only in small quantities. The inside of the croning measuring cell was coated with SP in case of U2 and with NP in case of U3. In the second batch series, the sintered sand remained on the surface of samples U6 and U7. The inside of the croning measuring cell was coated with NP in U6, and the inside of the cell was not coated in sample U7.
Measurements showed that the coating performed well during casting, did not react chemically with the melt and measuring cells made by the Croning process, and that it helped to reduce the baked sand to the casting samples.
Keywords: sol-gel coatings, cast steel, simple thermal analysis, reaction between mold and melt
viii VSEBINSKO KAZALO
1. UVOD ... 1
2. TEORETIČNI DEL ... 2
2.1. SOL-GEL METODA ... 2
2.1.1. Zgodovina sol gel postopka ... 4
2.1.3. Uporaba sol-gel premazov ... 5
2.1.4. Prednosti sol gel postopka ... 5
2.2. LITJE V PEŠČENE FORME ... 6
2.2.1. Izdelava form ... 6
2.2.2. Materiali za izdelavo peščene forme ... 6
2.3. LIVARSKI PREMAZI ... 7
2.3.1. Skupine livarskih premazov ... 8
2.3.2. Komponente livarskih premazov ... 8
2.3.3. Sestava premaza ... 8
2.3.4. Metode nanašanja premazov ... 10
2.3.5. Sušenja premazov ... 13
2.3.6. Parametri premazov ... 14
3. EKSPERIMENTALNI DEL ... 15
3.1. PRIPRAVA PREMAZA ... 15
3.2. PRIPRAVA MERILNIH CELIC ... 17
3.3. SUŠENJE PEŠČENIH CELIC ... 19
3.4. PRIPRAVA CELIC NA ULIVANJE ... 19
3.5. ULIVANJE ... 22
4. REZULTATI ... 25
4.1. REZULTATI VIZUALNE OCENE POVRŠINE ULITKOV ... 25
4.1.1. Prva serija ulivanja ... 25
4.1.2. Druga serija ulivanja ... 27
4.2 OHLAJEVALNE KRIVULJE ... 29
4.2.1. Prva serija ulivanja ... 29
4.2.2. Druga serija ulivanja ... 30
5. ZAKLJUČKI ... 32
6. VIRI IN LITERATURA ... 33
ix SEZNAM SLIK
Slika 1: Shematski prikaz Sol-Gel transformacije [4] ... 2
Slika 2: Shematski prikaz sol-gel postopka [4] ... 3
Slika 3: Relativna hitrost hidrolize in kondenzacije odvisnosti od pH (Primer: sinteze SiO2) [5] ... 4
Slika 4: Posnetek gravitacijskega litja v enkratno formo [8] ... 6
Slika 5: Shematski prikaz premaznih komponent [9] ... 9
Slika 6: Nanašanje premaza s pomočjo čopiča [11] ... 11
Slika 7: Tehnika pršenja [12] ... 11
Slika 8: Tehnika potapljanja forme ali jedra [13]... 12
Slika 9: Shematski prikaz metode nanašanja premazov - dip coating - oziroma potapljanja [9] ... 12
Slika 10: Prikaz metode nanašanja premazov – polivanja, model je nagnjen pod kotom [9] .. 13
Slika 11: Sušenje premazov na vodni osnovi, kjer pride do spremembe barve, ko se premaz posuši [9] ... 14
Slika 12: Stari premaz - SP z 15 mas.% sol gel komponente ... 15
Slika 13: Stari premaz, ki se je po določenem času ločil na dve sestavini (zgoraj se nahaja sol, spodaj pa premaz) ... 16
Slika 14: Proces mešanja premaza s solom ... 16
Slika 15: Novi premaz aquadur ZP z dodatkom sol gel komponente ... 17
Slika 16: Notranjost peščene croning celice... 17
Slika 17: Izdelava vrtine za vstavljanje termoelementa ... 18
Slika 18: Celice premazane z premazom in ena celica brez premaza za primerjavo ... 18
Slika 19: Termoelementi potopljeni v premaz ... 18
Slika 20: Celice postavljene v sušilnik in pripravljene na sušenje ... 19
Slika 21: Posušeni premaz na peščenih croning celicah ... 19
Slika 22: Nanos lepila na robove obeh polovic celice z že vstavljeno kvarčno cevko ... 20
Slika 23: Vstavitev termoelementa v celico, ki je imela robove premazane z lepilom ... 20
Slika 24: Pripravljena merilna celica - obe žici termoelementa sta zaščiteni s kvarčno cevko in priključeni na kompenzacijski vodnik ... 20
Slika 25: Celice pripravljene na ulivanje jekla AISI 316 ... 21
Slika 26: Croning peščene celice premazane, zalepljene in pripravljene na ulivanje ... 21
Slika 27: Postopek ulivanja jekla 316 v peščene celice ... 22
Slika 28: Predgreti livni lonec s pomočjo katerega smo ulivali talino v merilne celice ... 22
Slika 29: Ulivanje jekla AISI 316 v livni lonec ... 23
Slika 30: Ulivanje jekla v merilno celico ... 23
Slika 31: Strjeni ulitki v merilni celici ... 24
Slika 32: Strjeni in oštevilčeni ulitki ... 24
Slika 33: Posnetek površine vzorca U1 ... 25
Slika 34: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U1 ... 25
Slika 35: Posnetek površine vzorca U2, z označenim mestom "pripečenega" peska ... 26
Slika 36: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U2 ... 26
Slika 37: Posnetek površine vzorca U3, z označenim mestom "pripečenega" peska ... 26
Slika 38: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U3 ... 26
x
Slika 39: Posnetek površine vzorca U4 ... 27
Slika 40: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U4 ... 27
Slika 41: Posnetek površine vzorca U5 ... 27
Slika 42: Posnetek površine vzorca U6, z označenim mestom "pripečenega" peska ... 28
Slika 43: Posnetek površine vzorca U7, z označenim mestom penetracije taline na delni ravnini ... 28
Slika 44: Posnetki termokamere v drugi seriji ulivanja, ki prikazujejo proces ulivanja z ustreznimi temperaturami ... 29
Slika 45: Ohlajevalna krivulja vzorca U2 ... 30
Slika 46: Ohlajevalna krivulja U6 ... 31
xi SEZNAM PREGLEDNIC
Tabela 1: Oblike produkta sol-gel procesa glede na razmerje hidrolize in kondenzacije[5] ... 4 Tabela 2: Kemijska sestava jekla AISI 316 (mas. %) ... 21
xii SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV
SP – stari premaz NP – novi premaz BP – brez premaza U1 – vzorec ulitka 1 U2 – vzorec ulitka 2 U3 – vzorec ulitka 3 U4 – vzorec ulitka 4 U5 – vzorec ulitka 5 U6 – vzorec ulitka 6 U7 – vzorec ulitka 7 TS – temperatura solidus
TL/min – temperatura likvidus minimalna TL/max – temperatura likvidus maksimalna vrel – relativna hitrost
PSD – porazdelitev velikosti delcev ognjevzdržnega materiala PS – velikosti delcev
ETA – enostavna termična analiza
∆TL – razlika temperature likvidus T? – prva zaznana temperatura TL -ravnotežna likvidus temperatura
∆TR - likvidus rekalescenca TP – temperatura podhladitve
1
1. UVOD
Premazi za forme in jedra so pomožni materiali, ki zagotavljajo učinkovite ognjevzdržne pregrade med peščeno formo in talino pri procesu ulivanja. To zagotavlja gladko in čisto površino ulitkov in preprečuje nastanek napak kot sta "pripečeni" pesek ali penetracija kovine.
Uporaba visokokakovostnih premazov bistveno zmanjša drage postopke čiščenja in nadaljnje obdelave, kar vpliva tudi na zmanjšanje stroškov v proizvodnji. Kakovost površine ulitka je odvisna tudi od načina ulivanja taline. Da bi zagotovili zahtevano kakovost ulitkov, pri litju v peščene forme moramo paziti na vse materiale iz katerih je sestavljena forma, ter materiale iz katerih je sestavljen premaz.
Za enkratno uporabo peščenih mešanic se največkrat uporablja kremenov pesek. Z uporabo različnih dodatkov mu lahko povečamo ognjevzdržnost in se izognemo številnim napakam.
Bolj kakovostne mešanice za forme so na osnovi cirkona, olivina, kromita ali sintermagnezita, ki imajo veliko boljše toplotno-fizikalne lastnosti kot kremenov pesek, vendar se zaradi visoke cene relativno malo uporabljajo. Uporaba livarskih premazov v industriji je izredno pomembna za doseganje visokokvalitetnih površin, še posebej pri kompleksnih jedrih.
Uporabili smo premaz s cirkonijevim polnilom – Aquadur ZP (Exoterm-it d.o.o.), s sestavo: 83 mas.% ognjevzdržno polnilo (ZrO2), 2 mas.% organsko vezivo in 15 mas.% voda. Osnovnemu premazu smo dodali 15 mas.% sol-gel komponente.
Na voljo smo imeli dva premaza z različnimi datumi izdelave. Premaza smo s čopičem nanesli na croning merilne celice in vanj ulili jeklo ALSI 316 ter opazovali, kakšen vpliv sta imela premaza na površino ulitka. Ulivanje smo izvedli tudi v celico, kjer premaz ni bil nanešen.
Izvedli smo vizualno analizo površine ulitkov in ugotavljali, kolikšna količina peska se je
"pripekla" na površino ulitkov. Ulivanje je potekalo v dveh serijah. Primerjavo med nepremazano in premazano croning merilno celico smo izvedli vizualno na podlagi
"pripečenega" peska.
Določanje karakterističnih temperatur strjevanja smo razbrali na podlagi ohlajevalnih krivulj (čas – temperatura). Določili smo TS, TL/min ter TL/max, ki so nam dale vpogled v potek strjevanja vzorcev.
2
2. TEORETIČNI DEL
2.1. SOL-GEL METODA
Zmes majhnih delcev dveh (ali več) snovi, ki je navidezno homogena, imenujemo disperzni sistem. Snov, ki je v zmesi v manjši količini, je dispergirana faza, ki je porazdeljena v dispergiranem mediju. Dispergirana faza, kot tudi dispergiran medij, sta lahko v dveh različnih agregatnih stanjih. Kadar je velikost trdne dispergirane faze med 1 nm in 100 nm in je ta porazdeljena v tekočem mediju, govorimo o solu. Nanometrski delci sola nastanejo s hidrolizo molekul prekuzorja, ki nato kondenzirajo. Stabilnost formiranih delcev sola je odvisna od njihovih površinskih lastnosti in narave medija. [1][2][3]
Sol definiramo kot stabilno suspenzijo koloidnih trdnih delcev znotraj tekočine. Da bi sol obstajal, so trdni delci bolj gosti kot okoliška tekočina, ki mora biti dovolj majhna, da bi jo sile potiskale skozi tekočino. Praktični delci v koloidnem solu morajo imeti velikost med 2 nm in 0,2 μm. [1]
Gel lahko definiramo kot porozno tridimenzionalno medsebojno povezano trdno mrežo, ki se stabilno širi skozi tekoči medij in je omejen le z velikostjo posode. Če je trdna mreža narejena iz koloidnih delcev solnega dela, je gel koloiden. Narava gelov je vezana na zapleten stik in ravnovesno sobivanje med trdno mrežo in tekočim medijem. [1]
Ker je prekurzor bodisi anorganski sol v vodni raztopini, bodisi organska spojina (alkoksid) v organskem topilu, ločimo dva osnovna postopka sol-gel sinteze: anorgansko (koloidno) in organsko (polimerno oziroma alkoksidno) pot. Po koloidni poti gel nastane z aglomeracijo gostih koloidnih delcev (slika 1), pri polimerni pa s polimerizacijo polimernih verig. [2]
Slika 1: Shematski prikaz Sol-Gel transformacije [4]
V praksi nastane gel pri homogeni disperziji koloidnih delcev ali makromolekul, prisotnih v začetnem sol-u, ki utrdijo celoten mokri solni medij. Ta preobrazba je poimenovana geliranje in preprečuje nastanek nehomogenosti znotraj materiala. Dogodek prehoda iz sol-a v kateri koli koloidni ali polimerni gel, je znan kot gelna točka. Na tej točki se sol nenadoma spremeni iz viskoznega tekočega stanja v gel, ki se obnaša kot en sam trden monolit, impregniran s tekočino.
Zaradi nastajanja vedno novih vezi gel postaja vedno bolj trden in se krči. Krčenje gela s hkratno eliminacijo imenujemo sinteza. Zorenje gelov je proces, pri katerem pride do hkratnega
Koloidni sol Mokri gel
SOL-GEL transformacija
3 raztapljanja in ponovnega obarjanja. Zaradi večje topnosti bolj ukrivljenih površin, se manjši delci raztapljajo, raztopljena snov pa se odlaga na večjih delcih. [1][2]
Pri sušenju gela se njegova tridimenzionalna struktura poruši in dobimo kserogel (slika 2).
Končni material običajno pripravimo s termično obdelavo kserogela. Pri aerogelu, ki ga pripravimo s sušenjem pri posebnih pogojih, se tridimenzionalna struktura gela ohrani.
Struktura gela je odvisna od oblike in velikosti delcev sol-a; povezovanje sola v gel pa ima odločilen vpliv na strukturo in homogenost gela, zato je potrebno na tej stopnji sol-gel procesa še posebej pozorno kontrolirati procesne spremenljivke, kot so pH, temperatura in koncentracija. [1][2]
Edinstvena lastnost sol-gel postopka je zmožnost boljšega nadzora nad celotnim procesom. Z njim lahko nadzorujemo pripravo končnega materiala, in sicer od začetka, torej od izbire prekurzorja, do pogojev sinteze. [2]
Prekurzorji predstavljajo izhodne snovi iz katerih nastanejo koloidi; sestavljeni so iz kovine, ki jo obkrožajo številni ligandi. Ligandi so lahko alkilne ali alkoksidne skupine. V primeru zelo reaktivnih alkoksidov (cirkonijevi, titanovi alkoksidi), lahko njihovo reaktivnost zmanjšamo s kemijsko modifikacijo na način, da zamenjamo eno ali več alkoksidnih skupin s skupino, ki težje hidrolizira. [2][3]
Slika 2: Shematski prikaz sol-gel postopka [4]
Stopnja hidrolize predstavlja hitrost hidrolizne reakcije. Pri reakciji hidrolize poteka zamenjava alkoksidne (-OR) skupine s hidroksilnimi. Potek reakcije je odvisen od količine vode in količine prisotnega katalizatorja (tabela 1). [1]
Hidrolizno razmerje RW je razmerje med številom alkoksidnih skupin in množino vode. V splošnem velja, da pri velikem presežku vode (RW < 2) poteka hidroliza, kadar pa je vode malo (RW > 2), poteka kondenzacija. [1][5]
Raztopina EtOH Si(OEt)4
HCl H2O
Formiranje gela
Geliranje
Staranje Sušenje
sušenje
Prah Hiperkritično
Sinteza Aerogel
Kserogel
Fazno deljenje
4 Tabela 1: Oblike produkta sol-gel procesa glede na razmerje hidrolize in kondenzacije[5]
Hidroliza kondenzacija produkt
Počasna počasna koloidi/soli
Hitra počasna polimerni soli/geli
Hitra hitra koloidni geli ali oborine
Počasna hitra kontrolirano obarjanje
(sedimentacija)
Reakcija hidrolize in kondenzacije poteka hitreje ob prisotnosti kislega ali bazičnega katalizatorja. Relativna hitrost hidrolize in kondenzacije je odvisna tudi od pH (slika 3). Pri pH
< 5 poteka hidroliza hitreje, pri pH > 5 pa vse hidrolizirane zvrsti takoj kondenzirajo. [5]
Slika 3: Relativna hitrost hidrolize in kondenzacije odvisnosti od pH (Primer: sinteze SiO2) [5]
Kovinske alkokside običajno raztopimo v organskih topilih, da homogeniziramo reakcijsko zmes, preden nastopi proces hidrolize. Najpogosteje uporabljeno topilo so alkoholi, ki imajo enako število ogljikovih atomov v alkilni skupini kot alkoksidna skupina kovinskega alkoksida (etanol je npr. najbolj ustrezno topilo za kovinski etoksid). [2]
2.1.1. Zgodovina sol gel postopka
Sol-gel postopek je metoda kemijske sinteze, ki se običajno uporablja pri pripravi anorganskih materialov, kot sta steklo in keramika.
O tehnologiji nastanka optično prepustne trdne snovi, ki je nastala s počasno hidrolizo silicijevih estrov, je leta 1845 poročal Ebelmen. Leta 1930 sta Geffcken in Dislich ugotovila, da lahko alkokside uporabimo pri pripravi oksidnih tankih plasti. Istega leta je bila sprejeta tudi splošna Hurdova teorija, ki pravi, da je silikagel sestavljen iz ogrodja polisilicijeve kisline, ki
5 vsebuje kontinuirano tekočo fazo. Odkritje procesa superkritičnega sušenja za pripravo aerogelov je leta 1932 odkril Kistler. Tehnologijo sol-gel so začeli preučevati tudi v jedrski industriji, in sicer za pripravo kroglic radioaktivnih oksidov za reaktorsko gorivo. V 60.
oziroma 70. letih prejšnjega stoletja se je na področju industrije keramike pričelo aplikativno raziskovanje uporabe pripravljenih gelov. Veliko dela je bilo opravljenega na področju priprave večkomponentnih stekel in steklenih vlaken. [1][3][6]
2.1.2. Razvoj novih tehnologij
Sol-gel danes velja za eno najpomembnejših metod na področju izdelave funkcionalnih materialov. S to metodo lahko izboljšamo uporabnost materialov, vendar pa so tukaj zelo pomembne tudi aplikacije.
Sol-gel tehnologija se veliko uporablja tudi v tehnologiji premazov, in sicer kot zaščita pred korozijo, za povečano odpornost proti obrabi ter za toplotne pregrade. Ker so metodo v livarstvu začeli uporabljati šele pred kratkim, je na to temo objavljene zelo malo literature. [1][3][6]
2.1.3. Uporaba sol-gel premazov
Uporaba sol-gel postopka se zelo širi. Glavna področja uporabe se nanašajo na toplotno izolacijo in optične aplikacije. Številne aplikacije optičnega sol-gel procesa se nanašajo na premaze (npr. antirefleksni premazi). Za te je potrebno dodati elektro prevodne in zaščitne premaze, ki delujejo proti praskam, proti oksidaciji in eroziji na vseh vrstah materialov, vključno s plastiko in jeklom. Soli in geli imajo lahko tudi posebne lastnosti, zaradi katerih so zanimivi za nekatere posebne aplikacije, kot je na primer fotografski premaz za filme. [1]
2.1.4. 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 20o do 40o. 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 izolacijsko volno zaščitili termoelemente in kompenzacijske vodnike (slika 26).
Slika 26: Croning peščene celice premazane, zalepljene in pripravljene na ulivanje
22 3.5. ULIVANJE
Jeklo AISI 316 je avstenitno krom-nikljevo nerjaveče jeklo, ki vsebuje med 2 - 3 mas.% Mo.
Vsebnost molibdena povečuje odpornost proti koroziji, izboljšuje odpornost in povečuje trdnost pri visokih temperaturah.
Postopka ulivanja smo se lotili v dveh serijah. V prvi seriji smo ulivanje izvedli v štirih merilnih celicah s SP in z NP (slika 27).
Slika 27: Postopek ulivanja jekla 316 v peščene celice
V prvi seriji preizkusov smo ulivali jeklo neposredno iz indukcijske peči. Pri prvem ulivanju se je celica zalepila na klešče in padla na tla, ostala ulivanja so potekala brez zapletov. Pozorno smo spremljali meritve temperature v odvisnosti od časa. Ko je temperatura padla pod 500℃, smo termoelemente odklopili in prenehali z merjenjem. Zaradi načina ulivanja merilne celice niso bile popolnoma napolnjene s talino.
V drugi seriji ulivanja smo ulivali jeklo v merilne celice s pomočjo livnega lonca, ki smo ga predgreli (slika 28).
Slika 28: Predgreti livni lonec s pomočjo katerega smo ulivali talino v merilne celice
23 Ulivanje jekla AISI 316 v predgret livni lonec je prikazano na sliki 29.
Slika 29: Ulivanje jekla AISI 316 v livni lonec
S kleščami smo predgreti livni lonec s staljenim jeklom AISI 316 prenesli ter talino ulili v merilne celice (slika 30).
Slika 30: Ulivanje jekla v merilno celico
Ker smo imeli pri tem načinu ulivanja večji nadzor nad ulito količino taline v merilne celice, so bile tudi celice bolj polne (slika 31). Tudi pri tej seriji smo meritev prekinili, ko je temperatura padla pod 500 ºC.
24 Slika 31: Strjeni ulitki v merilni celici
Ohlajenje ulitke smo previdno odstanili iz merilnih celic, jih vizualno pregledali in ugotavljali, kakšen je bil vpliv premaza na površino ulitkov.
Ob pregledu ulitkov smo morali biti pozorni na napake, ki se zgodijo med ulivanjem, na vpliv premaza na postopek, ugotavljali pa smo tudi, če se je pesek pripekel na ulitek (slika 32).
Slika 32: Strjeni in oštevilčeni ulitki
25
4. REZULTATI
4.1. REZULTATI VIZUALNE OCENE POVRŠINE ULITKOV 4.1.1. Prva serija ulivanja
Na slikah 33 - 40 so prikazane analize površine vzorcev jekla AISI 316 in ostanke merilnih celic po odstranitvi ulitka za prvo serijo ulivanja.
Pri prvem vzorcu U1 ni opaziti "pripečenega" peska s prostim očesom.
Temperatura litja se je v prvih seriji litja gibala okoli 1575℃.
Vrsta premaza:
SP
Slika 33: Posnetek površine vzorca U1
Slika 34: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U1 Ulitek:
U1
Temperatura litja:
1575℃
26 Na površini drugega vzorca U2 smo v napakah na površini ulitka opazili malo "pripečenega"
peska, ki smo označili z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
SP
Slika 35: Posnetek površine vzorca U2, z
označenim mestom "pripečenega" peska Slika 36: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U2 Ulitek:
U2
Temperatura litja:
1575℃
Na površini tretjega vzorca U3 smo v napakah na površini ulitka opazili malo "pripečenega"
peska, ki smo označili z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 37: Posnetek površine vzorca U3, z
označenim mestom "pripečenega" peska Slika 38: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U3 Ulitek:
U3 Temperatura
litja:
1575℃
27 Pri četrtem vzorcu U4 ni opaziti "pripečenega" peska s prostim očesom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 39: Posnetek površine vzorca U4 Slika 40: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U4 Ulitek:
U4 Temperatura
litja:
1575℃
4.1.2. Druga serija ulivanja
Na slikah 41 - 43 so prikazane analize površine vzorcev jekla AISI 316 in ostanke merilnih celic po odstranitvi ulitka za drugo serijo ulivanja.
Pri petem vzorcu U5 ni peska na površini ulitka.
Vrsta premaza:
SP
Slika 41: Posnetek površine vzorca U5 Ulitek:
U5
Temperatura litja:
1572℃
28 Na površini šestega vzorca U6 smo opazili "pripečeni" peski, ki je na sliki 42 označen z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 42: Posnetek površine vzorca U6, z označenim mestom "pripečenega"
peska Ulitek:
U6 Temperatura
litja:
1588℃
Na površini sedmega vzorca U7 smo opazili penetracijo taline na delni ravni.
Vrsta premaza:
BP
Slika 43: Posnetek površine vzorca U7, z označenim mestom penetracije taline na delni ravnini
Ulitek:
U7 Temperatura
litja:
1581℃
Rezultat posnetka termokamere je prikazan na sliki 44. Razberemo lahko temperaturo taline jekla za drugo serijo ulivanja.
29 Slika 44: Posnetki termokamere v drugi seriji ulivanja, ki prikazujejo proces ulivanja z ustreznimi
temperaturami
4.2 OHLAJEVALNE KRIVULJE
Podatke meritev temperature v odvisnosti od časa smo obdelali v programu Origin 2016 in izrisali ohlajevalne krivulje. Iz krivulj lahko vidimo potek strjevanja jekla v merilni celici. V prvi seriji ulivanja je uspela le druga meritev (SP), v drugi seriji pa prva (SP). Ostale meritve niso bile primerne za obdelavo. Vzroki za neuspešne meritve enostavne termične analize so v zaščiti termoelemnta, ki mora biti boljša.
4.2.1. Prva serija ulivanja
Na sliki 45 je prikazana ohlajevalna krivulja vzorca U2, kjer smo uporabljali starejši premaz.
Iz grafa je razvidno, da se je temperatura najprej znižala, in sicer zaradi podhladitve. Ko je bil dosežen začetek strjevanja (1416,9 ºC), se je krivulja obrnila navzgor in začela naraščati. To se je odvijalo vse do temperature TL/MAX = 1420,7 ºC, ko se je krivulja ponovno obrnila navzdol do TS =1400,4 ºC, kjer se strjevanje konča.
Likvidus rekalescenca znaša:
∆TR = TL/MAX – TL/MIN =1420,7 ℃-1416,9 ℃ = 3,8 ℃
Podhladitev je razlika med ravnotežno in dejansko temperaturo kristalizacije. Pove nam, kako intenzivno poteka kristalizacija v podhlajeni talini.
30 Izračun temperature podhladitve:
TP = TL -TL/MIN = 1581,96℃ -1416,9℃ = 165,01℃
TL jeravnotežna likvidus temperatura, ki smo jo izračunali z pomočjo programa ThermoCalca (ravnotežni potek strjevanja).
Slika 45: Ohlajevalna krivulja vzorca U2
4.2.2. Druga serija ulivanja
Tudi pri drugem ulivanju smo se poslužili obeh, starejšega in novejšega premaza, ena celica je bila nepremazana.
Izrisali smo lahko le eno ohlajevalno krivuljo ter na njej določili livno temperaturo in temperaturo solidus. Na sliki 46 je ohlajevalna krivulja vzorca U5 s SP. Iz grafa je razvidno, da se je temperatura najprej znižala toda zaradi slabe zaščite termoelementov ni bilo možno izrisati ustreznega grafa. T? je prva najvišja zabeležena temperatura (1446,4 ºC), saj TL ni bila zaznana. Naslednja temperatura, ki smo jo lahko zaznalo je Ts (1369,7 ºC), kjer se je potek strjevanja zaključil.
31
Slika 46: Ohlajevalna krivulja U6
Zaradi prenizke livne temperature na krivulji ni zaznane likvidus temperature in zato ni bilo mogoče izračunati podhladitve in rekalescence.
T?= 1446,4℃
32
5. ZAKLJUČKI
V okviru diplomskega dela smo v sodelovanju s podjetjem Exoterm-it preučevali vpliv sol-gel komponente v vodnem premazu s cirkonskim polnilom (Aquadur ZP). Znano je, da sol znatno vpliva na izboljšanje površine ulitka.
Izvedli smo vizualno analizo površine ulitkov ter ugotavljali, koliko peska se je pripeklo na površino ulitkov. Ulivanje je potekalo v dveh serijah. V prvi seriji smo "pripečeni" pesek opazili na površini vzorcev U2 in U3, ta se je na vzorcih nahajal le v majhnih količinah. Notranjost croning merilne celice je bila v primeru U2 premazana s SP in v primeru U3 z NP. V drugi seriji ulivanja je "pripečeni" pesek ostal prilepljen na površino vzorcev U6 in U7. Notranjost merilne celice je bila pri U6 premazana z NP, pri vzorcu U7 pa notranjosti celice nismo premazali.
Meritve so pokazale, da se je premaz učinkovit v prepečevanju reakcije med formo in talino, ter da je pripomogel k zmanjšanju "pripečenega" peska na vzorcih ulitkov.
Pri analiziranju ulitkov smo gledali predvsem na to, kakšne površinske napake so se pojavile na ulitku. Ko smo talino ulivali v merilne celice, se je na ulitkih videla velika razlika med premazanimi in nepremazano merilno celico. Površine ulitkov pri uporabi premaza so boljše, in imajo manj napak zaradi "pripečenega" peska, kot v primeru, ko premaza nismo uporabili.
Premazi so narejeni na vodni osnovi, zato so okolju bolj prijazni od tistih na bazi alkohola. Smo pa za sušenje premaza zato potrebovali več časa. Ugotovili smo tudi, da premaz ni reagiral s formo ali z ulitkom in je zagotavljal kemično in termično obstojnost.
Meritve enostavne termične analize so težavne zaradi visoke livne temperature. Za zanesljivost meritev je potrebno bol učinkovito zaščititi termoelemnt in zagotoviti dovolj visoko temperaturo litja. Potek ohlajevalnih krivulj kaže, da dodatek sol-gel komponente ne vpliva bistveno na potek strjevanja jekla AISI 316.
33
6. VIRI IN LITERATURA
[1] PIERRE, A. C. Introduction to Sol-Gel Processing. New York : Springer Nature, 1998, 394 str.
[2]NWAOGU, U. C., TIEDJE, N. S. New Sol-Gel Coatings to Improve Casting Quality.
Danska : DTU Mechanical Engineering, 2011, 344 str.
[3] ZARZYCKI, J. Past and Present of Sol-Gel Science and Technoogy. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 1997, vol. 8, iss. 1-3, str. 17-22.
[4] CORRIU, R., ANH, N. T. Molecular Chemistry of Sol- Gel Derived Nanomaterials. New York : Wiley, 2009, 208 str.
[5] SCHUBERT, U., HÜSING, N. Synthesis of Inorganic Materials. Weinhein : Wiley, 2005, 429 str.
[6]BROWN, J. R. Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook. Oxford : Pergamon Press 2000, 384 str.
[7] TRBIŽAN, M. Livarstvo : interna skripta. Ljubljana : Naravoslovnotehnična fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 1983, 278 str.
[8] Digit Panda - Casting & forging industry : new opportunities from manufacturer : growth rate [online]. Digit Panda, 2020, [citirano 1. 8. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://thedigitpanda.com/casting-forging-industrynew-opportunities-from- manufacturergrowth-rate/>.
[9] NWAOGU, U., SKAT TIEDJE, N. Foundry Coating Technology : A review. Materials Sciences and Applications, 2011, vol. 2, iss. 8, str. 1143-1160.
[10] TERMIT d.d. – Podatki o premazih [online]. TERMIT d.d., 2018, [citirano 1.8.2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.termit.si/premazi/>.
[11] Aremco – High Temperature Refractory Coatings [online]. Aremco, 2021,
[citirano 1.8.2021]. Dostopno na svetovnem spletu:<https://www.aremco.com/high-temp- refractory-coatings/>.
[12] B2B Portal For Technical And Commercial Foundry Management – Added value with optimised cleaning processe [online]. Foundry – Planet.com, 2021, [citirano 1. 8. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.foundry-planet.com/d/added-value-with- optimised-cleaning-processes/>.
[13] Dip coating process – Dip coating [online]. Nadetech Innovations, 2017, [citirano 1.8.2021]. Dostopno na svetovnem spletu:<https://www.alibaba.com/product- detail/paint-for-lost-foam-casting-process_60679017159.html/>.
[14] ŽBONTAR, M. Toplotna in kemijska obstojnost SOL-GEL premaza s cirkonskim polnilom : magistrsko delo. Ljubljana, 2018, 68 str.
