2.5. Produkcja form i rdzeni

Formowanie polega na wykonaniu formy d.o której zostanie wlany ciekły metal. Niektóre formy muszą mieć specjalne właściwości w celu wykonania odlewu o wysokiej jakości; formy te powinny na przykład:

- odtwarzać dokładnie z wysoką dokładnością kształt modelu odlewniczego;- gwarantować gładką powierzchnię odlewu, aby uniknąć nadmiernego wykańczania;- nie dopuścić do powstania jakichkolwiek wad odlewów takich jak pęknięcia, żyłki,

nakłucia, itp.

Forma odtwarza zewnętrzny kształt odlewu, natomiast rdzeń odtwarza wewnętrzny kształt odlewu, lub przynajmniej części, które nie mogą zostać bezpośrednio odtworzone przez formę.

Formy są klasyfikowane i dzielone na dwie duże grupy:

- formy nietrwałe (pojedynczego użycia): są one wykonywane specjalnie dla każdego odlewu i są niszczone po zalaniu. Formy tego typu są zwykle wykonane z piasku jako osnowy i są wiązane chemicznie, gliną lub są nawet nie wiązane. Formy do odlewania precyzyjnego mogą być również zaliczone do tej grupy.

- formy trwałe (wielokrotnego użycia): tego typu formy są wykonywane do odlewania grawitacyjnego i niskociśnieniowego, odlewania ciśnieniowego i odśrodkowego. Formy takie wykonane są zwykle z metalu.

Rdzenie stosowane do odlewów ze stopów żelaza, są praktycznie zawsze wykonane z piasku jako osnowy. Wybór technologii wiązania zależy od czynników takich jak: wielkość odlewu, wielkość serii, rodzaj odlewanego metalu, wybijalność itp.

Formy piaskowe mogą być wykonywane przez ubijanie ręczne lub mechanicznie, wykorzystując operacje takie jak wstrząsanie, ściskanie, uderzenie powietrza, wibracje itp. Gdy forma uzyska wystarczającą wytrzymałość jest z niej usuwany model, który może być użyty do produkcji kolejnej formy.

Rdzenie są zwykle produkowane są w tej samej technologii co formy. Lecz rdzenie małe i średnie są często nadmuchiwane lub wstrzeliwane do rdzennicy wykonanej z drewna, tworzyw sztucznych lub metalu.

W przypadku odlewów z metali nieżelaznych, około 30% odlewów jest wykonywanych w formach piaskowych. W przypadku odlewów z lekkich stopów metali nieżelaznych tylko 10% z nich jest wykonywanych w formach nietrwałych.

Produkcja modeli i form trwałych jest zwykle wykonywana przez wyspecjalizowane firmy zewnętrzne. Tego typu działalność znajduje się w sektorze usług metalowych i tworzyw sztucznych. [2, Hoffmeister, et al., 1997], [32, CAEF, 1997], [110, Vito, 2001]

2.5.1. Materiały świeże

2.5.1.1. Materiały ogniotrwałe

Niezależnie od zastosowanego materiału wiążącego właściwości fizyczne i chemiczne materiału ogniotrwałego, zastosowanego do wykonania form lub rdzeni, wpływają decydująco na właściwości wykonanej formy i rdzenia i na ich zachowanie podczas odlewnia. Nie jest zaskakujące, że materiały ogniotrwałe stanowią 95 do 99% produktów użytych do wykonania formy i rdzenia.

Cena zakupu każdego typu piasku jest składową czterech głównych składników: wydobycia, przygotowania, pakowania i transportu. Koszty transportu są różne w różnych rejonach (krajach). Głównym jednak składnikiem ceny jest typ (rodzaj) piasku. Średnie ceny zakupu różnych rodzajów piasków są bardzo różne. Dane z ankiety przeprowadzonej w 1995 roku w Wielkiej Brytanii wskazują, że cena zakupu tony piasku chromitowego i cyrkonowego była odpowiednio 9 i 14 razy większa od ceny piasku kwarcowego. W Portugalii ceny piasku zależą od zakupywanej ilości, lecz piasek jest przeważnie tańszy w Portugalii niż w Hiszpanii, Francji i Włoszech. Ceny w Portugalii wahają się w granicach (dane z roku 2003) 20-25 EUR za tonę suchego piasku AFS 55 (plus transport). Ceny piasku kwarcowego w Czechach (rok 2003) wahają się w przedziale 10-20 EUR, a cena zależy od wielkości zakupu, sposobu pakowania i rodzaju obróbki. Cena piasku chromitowego wynosi 250-300 EUR/tonę, natomiast cyrkonowego 250-400 EUR/tonę. [72, ETSU, 1995], [225, TWG, 2003]

Różne typy piasków ogniotrwałych stosowanych w odlewnictwie są omówione w kolejnych działach.

2.5.1.1.1. Piasek kwarcowy

Ten typ piasku jest stosowany najczęściej, głównie ze względu na szeroką dostępność i jego stosunkowo niską cenę. Piasek kwarcowy jest tworzony przez minerał „kwarc” (SiO2), który jest czysty w stopniu większym lub mniejszym zależnie od materiału wyjściowego. Gęstość piasku kwarcowegowynosi 2,5-2,8 kg/dm3, a jego gęstość nasypowa wynosi 1.4–1.6 kg/dm3.

Rozszerzalność cieplna piasku kwarcowego powoduje ruch formy przy zalewaniu i chłodzeniu. Aby zapobiec temu zjawisku prowadzącemu do wad odlewu stosuje się specjalne dodatki, szczególnie przy produkcji rdzeni. Dodatkami mogą być pył drzewny, tlenki żelaza lub utwardzany piasek odlewniczy. Piasek zawierający skaleń ma mniejszą rozszerzalność cieplną niż czysty piasek kwarcowy i niższą temperaturę spiekania, dlatego jest często stosowany w celu zapobieżenia wadom odlewu związanym z rozszerzalnością cieplną.

Piasek kwarcowy ma odczyn obojętny i można go stosować ze wszystkimi materiałami wiążącymi i stopami odlewniczymi. Frakcja respirabilna krzemionki została sklasyfikowana przez IARC jako rakotwórcza [233, IARC, 1997]. Jest to sprawa dotycząca zdrowia i bezpieczeństwa. Prowadzone są badania w celu określenia czy następuje również zanieczyszczenie powietrza. Ilość kwarcu w pyle jest określana przez zawartość kwarcu w materiałach wsadowych.

W technologii mas wilgotnych bardzo istotna jest kontrola rozkładu ziarnowego. Rysunek 2.25 przedstawia typowy rozkład ziarnowy piasku kwarcowego. Rozkład ziarnowy jest używany do obliczenia numeru (liczby) AFS (AFS = American Foundry Society- Stowarzyszenie Odlewników Amerykańskich). Liczba AFS daje informację dotyczącą stopnia rozdrobnienia piasku. Im wyższa liczba AFS tym piasek jest drobniejszy. Systemem alternatywnym jest średnia wielkość ziarna lub MK.Drobniejszy rodzaj piasku charakteryzuje się większą liczbą ziaren na gram, czyli większą powierzchnią właściwą. Większa powierzchnia właściwa wymaga większego dodatku

materiału wiążącego w celu uzyskania równej wytrzymałości formy. Aby zapobiec nadmiernemu zużyciu spoiwa odlewnie starają się stosować grubsze piaski, jednak takie które zapewnią dobrą powierzchnię odlewu. Standardowymi liczbami AFS są 50-60. Aby uzyskać bardzo gładką powierzchnię należy stosować drobny piasek, zwykle jeden z liczbą AFS równą 90-110. Drobne piaski są również czasami stosowane na pokrycia formy. [110, Vito, 2001], [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003].

Rys. 2.25. Typowy rozkład ziarnowy odlewniczego piasku kwarcowego [110, Vito, 2001]

2.5.1.1.2. Piasek chromitowy

Chromit jest rudą chromu, o wzorze chemicznym FeOCr2O3, która zawiera inne składniki, takie jak tlenki magnezu i aluminium. Dla zastosowań w odlewnictwie , zawartość dwutlenku krzemu w piasku chromitowym musi być mniejsza niż 2%, aby zapobiec spiekaniu się piasku w niskiej temperaturze. Parametry piasku chromitowego są następujące:

- gęstość: 4.3 do 4.6 kg/dm3, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm3),- teoretyczna temperatura topnienia: 21800C, lecz obecność zanieczyszczeń

może ją obniżyć do 18000C,- przewodność temperaturowa: ponad 25% większa niż dla piasku

kwarcowego,- rozszerzalność cieplna: prawidłowa, bez punktu przejścia, mniejsza niż dla

piasku kwarcowego,- odczyn pH: zazwyczaj zasadowy, od 7 do 10.Piasek chromitowy jest bardziej ogniotrwały aniżeli piasek kwarcowy. Jest bardziej stabilny w wysokiej temperaturze i ma większą zdolność chłodzenia. Piasek chromitowy zapewnia lepszą jakość powierzchni dużych odlewów. Dlatego jest stosowany przy produkcji dużych odlewów oraz w miejscach formy, w których wymagane jest chłodzenie.[32, CAEF, 1997].2.5.1.1.3. Piasek cyrkonowy

Cyrkon jest krzemianem cyrkonu ZrSiO4. Cyrkon jest najbardziej rozpowszechnioną rudą cyrkonu. Parametry cyrkonu są następujące:

- gęstość: 4.4 do 4.7 kg/dm3, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm3),- temperatura topnienia: powyżej 20000C,

- przewodność temperaturowa: ponad 30% większa niż dla piasku kwarcowego,- rozszerzalność cieplna: prawidłowa, bez punktu przejścia, mniejsza niż dla piasku

kwarcowego.

Ogólnie biorąc parametry piasku cyrkonowego są zbliżone do parametrów piasku chromitowego, lecz piasek cyrkonowy daje lepszą powierzchnię, gdyż jest drobniejszy. Te właściwości fizyczne i chemiczne powodują, że jest stosowany przy produkcji form i rdzeni w trudnych przypadkach, pomimo jego bardzo wysokiej ceny.[32, CAEF, 1997], [72, ETSU, 1995]

2.5.1.1.4. Piasek oliwinowy

Piaski oliwinowe należą do grupy mineralnej zawierającej forselit, fajalit i inne. Parametry piasku oliwinowego są następujące:

- gęstość: 3.2 do 3.6 kg/dm3,- temperatura topnienia: forselit 18900C, fajalit: 12050C,- odczyn pH: około 9.

Zasadowy odczyn pH powoduje, że piaski te nie nadają się do stosowania z kwaśnymi materiałami wiążącymi.

Piasek oliwinowy jest wytwarzany przez kruszenie skał naturalnych, co wyjaśnia ich różnorodne parametry. Jest zwykle stosowany do wytwarzania form i rdzeni w produkcji odlewów ze staliwa manganowego. Obecność manganu uniemożliwia zastosowanie kwarcu, gdyż te dwa składniki reagują bardzo intensywnie, dając w wyniku reakcji łatwo topliwy związek. Odnotowana cena dostawy tego piasku w Hiszpanii wynosi 130 EUR/t (2002). [32, CAEF, 1997], [210, Martínez de Morentin Ronda, 2002].

2.5.1.2. Materiały wiążące i inne materiały chemiczne

2.5.1.2.1. Bentonit

Bentonit jest pyłową gliną o strukturze blaszkowatej. Przez dodanie wody gliniasta struktura pęcznieje ze względu na adsorpcję molekuł wody. W wyniku tego glina nadaje się do wykorzystania jako materiał wiążący i może być naniesiona, aby pokryć ziarna piasku podczas procesu mieszania.

Naturalne bentonity wapniowe nie pęcznieją i nie żelują podczas mieszania ich z wodą. Są one rzadko stosowane obecnie i są używane wyłącznie do produkcji odlewów specyficznych. Alternatywnie, bentonity te mogą być „aktywowane” przez obróbkę z sodą kaustyczną w wyniku czego powstaje tak zwany „bentonit aktywowany sodowy”. Tego typu bentonity są szeroko stosowane w europejskich odlewniach stopów żelaza, a ich parametry osiągają parametry właściwe dla naturalnym bentonitom sodowym.

Naturalne bentonity sodowe znacznie pęcznieją podczas mieszania z wodą. Główną ich cechą w masach wilgotnych jest duża wytrzymałość, duża tolerancja na odchyłki w zawartości wody, duża odporność na przepalenia oraz duża trwałość w wysokiej temperaturze. Ze względu na to, że są one importowane ze Stanów Zjednoczonych, gdzie są w powszechnym użyciu, cena limituje ich użycie tylko do wysoko wartościowych odlewów staliwnych lub w mieszankach z bentonitem aktywowanym sodowym.

Wlanie ciekłego metalu do formy odlewniczej wykonanej w masach z bentonitem powoduje poddanie masy formierskiej działaniu wysokiej temperatury. Wysoka temperatura powoduje usuwanie wilgoci w masy formierskiej i niszczenie struktury gliniastego materiału wiążącego (wraz z dodatkami). Jeśli zalewany ciekłym metalem i chłodzony bentonit pozostaje poniżej temperatury deaktywacji, jego struktura blaszkowata wraz ze zdolnością do pęcznienia czyli wywołującą kohezję pozostaje nienaruszona. Temperatura deaktywacji jest różna dla różnych typów bentonitów.

Ceny bentonitów zawierają się w przedziale od 70 EUR/t do 250 EUR/t, w zależności od rodzaju opakowania i typu bentonitu (Czechy, 2003). [32, CAEF, 1997], [73, ETSU, 1995], [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003].

2.5.1.2.2. Żywice

Przez kilka ostatnich dziesięcioleci pojawiła się szeroka gama chemicznych materiałów wiążących. Są to pojedyncze lub wieloskładnikowe systemy, które są mieszane z piaskiem do momentu pokrycia ziarn piasku cienką warstewką tego materiału wiążącego. Po procesie mieszania rozpoczyna się reakcja utwardzania i wiązania ziaren piasku oraz zwiększa się wytrzymałość formy. Żywice mogą być podzielone ze względu na sposób utwardzania:

- żywice utwardzane w temperaturze otoczenia,- żywice utwardzane czynnikiem gazowym,- żywice utwardzane w wysokiej temperaturze.

Wiele ze stosowanych w odlewnictwie odmian żywicy zostanie omówione w rozdziale 2.5.6. W tabeli 2.7 zestawiono zastosowanie różnych rodzajów żywic.

Sposób utwardza-

nia

Rodzaj żywicy (nazwa handlo-

wa)

Zasto-sowanie

przy produ-

kcji form

Zastoso-wanie przy

produ-kcji

rdzeni

Tempe-ratura utwar-dzania

Czas utwar-dzania

(*)

Rodzaj metalu Wielkość serii

W te

mpe

ratu

rze

otoc

zeni

a

Furano-wa

średniej wielkości, duże

czasami 10-300C 10-120 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Fenolo-wa duże nie stosuje

się 10-300C 10-180 min Stopy żelaza małoseryjna i

wielkoseryjnaPoliure-tanowa

(pepset,/pentex)

małe, duże czasami 10-300C 5-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Rezolo-wo-

estrowa (alfaset)

małe, duże czasami 10-300C 5-400

min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Alkidowa duże czasami 10-300C 50 min staliwo MałoseryjnaKrze-

mianowe – szkło wodne

średniej wielkości,

duże

nie stosuje się 10-300C 1-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Małoseryjna, średnioseryjna

Utw

ardz

ane

czyn

niki

em g

azow

ym

Fenolo-wa/fura-nowa1

(Hardox)

małe stosuje się 10-300C <60 sStopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Poliure-tanowe (cold-box)

małe stosuje się 10-300C <60 sStopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Rezolo-wa

(betaset)małe stosuje się 10-300C <60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Akrylo-wo/epo-ksydowa (isoset)

nie stosuje się stosuje się 10-300C <60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Krzemi-anowe małe stosuje się 10-300C <60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Utw

ardz

ana

w w

ynik

u od

dzia

ływ

ania

term

iczn

ego

Olejowe małe stosuje się 180-2400C

10-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Małoseryjna

Warm-box rzadko stosuje się 150-

2200C 20-60 s Stopy żelaza Średnioseryjna, Wielkoseryjna

Hot-box rzadko stosuje się 220-2500C 20-60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Średnioseryjna, Wielkoseryjna

Croning stosuje się stosuje się 250-2700C 120-180 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wielkoseryjna

*) czas wyciągania – czas po którym forma/rdzeń osiągną wytrzymałość umożliwiającą usunięcie modelu1) nie stosowane przy produkcji <20 ton/dzień

Tabela 2.7. Przegląd różnych odmian żywic i ich zastosowań

[110, Vito, 2001].

2.5.1.2.3. Pył węglowy

Pył węglowy jest zwykle dodawany do mas z bentonitem służących do wykonania form zalewanych żeliwem. W ograniczonym zakresie jest też stosowany przy wykonywaniu odlewów z metali nieżelaznych. Pył węglowy może być w niewielkich ilościach mieszany z żywicami i olejami. Podczas odlewania następuje degradacja termiczna która powoduje powstanie „węgla błyszczącego”, który poprawia jakość powierzchni odlewu i jego wybijalność. Pył węglowy jest dodawany do masy formierskiej z trzech względów:

- dla wywołania atmosfery obojętnej we wnęce formy podczas odlewania, poprzez spalanie produktów organicznych (węglowych), które z kolei powodują spowolnienie utleniania się metalu (powstawanie żużla),

- dla ograniczenia penetracji metalu w formę (ziarna kwarcu), poprzez osadzanie warstewki grafitu, która powoduje również powstawanie gładkiej powierzchni odlewu,

- dla ograniczenia ilości masy formierskiej pozostającej przy powierzchni odlewu po wybiciu.

Poza powstawaniem czarnego, lepkiego pyłu podczas przeładunku, pył węglowy może zawierać lub powodować powstanie podczas odlewania wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA-ang. PAH).

W odlewnictwie staliwa pył węglowy nie jest stosowany ze względu na przechodzenie węgla do stopu. Z tego względu jest zwykle zastępowany naturalnymi materiałami wiążącymi, takimi jak skrobia czy dekstryna.

Istnieje wiele materiałów zastępujących pył węglowy. Zawierają one mieszanki wysoko –lotnych i tworzących węgiel błyszczący materiałów łączonych z gliną. Zwykle te materiały są mniej szkodliwe dla środowiska naturalnego niż pył węglowy; powodują powstawanie mniejszej ilości dymów podczas odlewania, jakkolwiek niektóre z materiałów zastępujących pył węglowy powodują powstawanie większej ilości WWA.[174, Brown, 2000], [225, TWG, 2003]

2.5.1.2.4. Roślinne materiały wiążące

Są one używane głównie w odlewniach staliwa w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości mas formierskich z bentonitem. Rozróżnia się dwa główne rodzaje tych materiałów: skrobię i dekstrynę. Skrobia jest materiałem o odczynie zasadowym i jest produkowana z licznych roślin uprawnych; skrobia kukurydziana jest najczęściej stosowaną odlewnictwie. Dekstryna jest produktem wtórnej polimeryzacji skrobii, który powstaje przez poddanie skrobii działaniu kwasami i wysoką temperaturą.

Skrobia zapobiega wadom odlewów, związanym z rozszerzalnością, ze względu na to, że przy wypalaniu umożliwia bowiem zajście procesu deformacji piasku bez deformacji formy. Materiały wiążące tego typu zwiększają wytrzymałość i twardość formy, lecz mogą zmniejszyć płynność masy formierskiej. Dekstryna polepsza płynność i zachowanie wilgotności, zapobiegając wysychaniu i kruchości krawędzi form.

Dodatek tych materiałów nie polepsza wytrzymałości formy na erozję i na penetrację metalu w głąb formy. [174, Brown, 2000], [175, Brown, 1999]2.5.1.2.5. Tlenek żelaza

Tlenek żelaza reaguje z kwarcem w wysokiej temperaturze, tworząc niskotopliwy składnik fajalit. Ten szklisty, plastyczny produkt powoduje spiekanie się ziaren. Tlenek żelaza jest głównie stosowany przy produkcji rdzeni, w celu ograniczenia powstawania żyłek. [110, Vito, 2001]

2.5.1.3. Układ wlewowy, wlewy doprowadzające, zasilanie i filtracja

Poszczególne części układu wlewowego i doprowadzającego zostały przedstawione na rysunku 2.26. Układ wlewowy spełnia następujące funkcje:

- reguluje przepływ ciekłego metalu do wnętrza formy na poziomie wymaganym do uniknięcia wad odlewu zwanych, zimne krople,

- zapobiega turbulencji metalu wpływającego do formy,- zapobiega wpływaniu żużla i zanieczyszczeń znajdujących się w metalu do wnętrza

formy,- zapobiega zderzeniu strumienia metalu wpływającego z dużą prędkością do wnęki

formy z rdzeniami i powierzchniami formy,- wywołuje gradient temperatury wewnątrz odlewu, przez co umożliwia wykonania

zdrowego odlewu.

Rys. 2.26. Elementy układu wlewowego [237, HUT, 2003]

Podczas projektowania układu wlewowego należy wziąć pod uwagę obecność żużla i innych zanieczyszczeń metalu wlewanego do formy, które mogą zmienić parametry metalu, np.:

- w żeliwie z grafitem płatkowym możne być obecny żużel piecowy lecz ciekły metal nie zawiera wtrąceń spowodowanych utlenianiem,

- żeliwo sferoidalne zawiera krzemian magnezu i zanieczyszczenia siarczkowe, powstające podczas zabiegu sferoidyzacji,

- staliwo jest podatne na utlenianie i powstawanie żużla,- stopy aluminium (i brązy aluminiowe) ulegają utlenianiu, przez co na powierzchniach

mających kontakt z powietrzem bardzo szybko tworzy się warstewka tlenków.

Zanieczyszczenia w odlewach staliwnych mogą powstawać przez wychwytywanie z żużla, erozji pieca czy wyłożenia materiału ogniotrwałego kadzi lub z procesu odtleniania. W obecnym czasie stosuje się procesy filtracji w celu zredukowania obecności zanieczyszczeń.

Zastosowanie filtrów ceramicznych wprowadziło pewne utrudnienia w fazie projektowania układu wlewowego. Różne stosowane rodzaje filtrów zostały przedstawione na rysunku 2.27.

Rys. 2.27. Stosowane w odlewnictwie typy filtrów [237, HUT, 2003]

2.5.2. Przygotowanie masy formierskiej (transport, przesiewanie, chłodzenie, mieszanie)

2.5.2.1. Odświeżanie masy z bentonitem

Jedną z głównych zalet zastosowania masy z bentonitem jest możliwość poddania masy wybitej z formy odświeżaniu i jej wielokrotne użycie. Schemat rozmieszczenia urządzeń w typowej odlewni stosującej masy z bentonitem przedstawiono na rysunku 2.28, natomiast przykładowe rodzaje mieszarek na rysunku 2.29.

Rys. 2.28 . Schemat technologiczny typowej odlewni wykonującej formy z masy z bentonitem [174, Brown, 2000]

Rys. 2.29. Różne rozwiązania mieszarek do mas [237, HUT, 2003]

Masa obiegowa zawiera zwykle elementy metalowe, takie jak zakrzepłe krople metalu, elementy układu wlewowego, drobne części odlewu; wszystkie te zanieczyszczenia należy usunąć, najczęściej z zastosowaniem oddzielacza magnetycznego. Jeśli oddzielenie przy użyciu oddzielacza magnetycznego nie jest możliwe, oddzielanie może odbywać się z wykorzystaniem separatorów wykorzystujących prądy wirowe. Pozostałości brył masy są wtedy kruszone. Jest bardzo ważne aby nie kruszyć ziaren piasku, i przeciwdziałając w ten sposób procesowi oddzielania piasku od bentonitu.

Zwykle masa obiegowa musi podlegać chłodzeniu, aby utrzymany został możliwie stały poziom wilgotności oraz aby zapobiec stratom wilgoci spowodowanym parowaniem. Chodzenie przebiega często w chłodziarkach fluidyzacyjnych, które umożliwiają dodatkowo odpylenie masy obiegowej przez usunięcie z niej nadmiernej ilości pyłów.

Po tych zabiegach masa obiegowa jest przesiewana w celu usunięcia z niej pozostałych bryłek masy a następnie składowana przed procesem mieszania z wymaganymi ilościami dodatków takich jak bentonit, woda, pył węglowy przygotowującemu ją do ponownego użycia. [32, CAEF, 1997], [174, Brown, 2000]

2.5.3. Formowanie w masie naturalnej

Niektóre odlewnie stosują masy naturalne, tj. piaski o naturalnej zawartości gliny. W celu aktywacji ich zdolności wiążących należy dodać jedynie wodę. Jeśli to konieczne mogą być do tych mas dodawane i mieszane również inne składniki. Przybliżone skład masy naturalnej jest podany w tabeli 2.8.

Składnik Przybliżony udział w masie, %Piasek kwarcowy 80Glina 15Woda 5

Tabela 2.8. Skład masy naturalnej [126, Teknologisk, 2000]

Masy naturalne, spotykane w środowisku w stanie wymieszanym, nie wymagają tak skomplikowanych urządzeń do mieszania jak masy syntetyczne. Są one głównie stosowane w niewielkich odlewniach metali nieżelaznych (np. miedzi), a nie są używane w odlewniach produkujących odlewy żeliwne i staliwne.

2.5.4. Formowanie w masach z bentonitem

Formowanie w masach z bentonitem jest najczęściej spotykanym sposobem wykonywania form. Masa z bentonitem generalnie nie jest stosowana do produkcji rdzeni. Rdzenie są wytwarzane z zastosowaniem chemicznych materiałów wiążących. Formowanie w masach z bentonitem jest jedyną technologią, w której stosuje się wilgotny piasek. Mieszankę stanowi około 85-95% piasku kwarcowego (oliwinowego lub cyrkonowego); 5 do 10% bentonitu; 3 do 9% materiału węglonośnego (np. pyłu węglowego), produkty naftowe, skrobia i 2 do 5% wody. Bentonit i woda pełnią funkcję materiałów wiążących zlepiających ze sobą ziarna piasku. Materiał węglonośny, spalający się w chwila zalania formy ciekłym metalem, powoduje powstawanie atmosfery redukującej, zapobiegającej utlenianiu metalu podczas krzepnięcia. W tabeli 2.9 przedstawiono przegląd dodatków do masy z bentonitem w zależności od rodzaju odlewanego stopu.

Odlewany stop Stosowane dodatki do masyŻeliwo sferoidalneŻeliwo szare z grafitem płatkowymŻeliwo ciągliwe

BentonitMateriały wiążące zbożowe*

Pył węglowy

Staliwo BentonitMateriały wiążące zbożowe*

Metale lekkie BentonitMateriały wiążące zbożowe*

Stopy aluminium z magnezem BentonitKwas borowy

Stopy magnezuBentonitSiarka aproszkowanaKwas borowy

Stopy nieżelazne metali ciężkich (stopy miedzi)

BentonitMateriały wiążące zbożowe*

Pył węglowy* dodatek opcjonalny

Tabela 2.9. Skład dodatków do sporządznia masy z bentonitem (z wyłączeniem wody) [36, Winterhalter, et al., 1992]

Odlewanie w masach z bentonitem, spotykane bardzo szeroko, ma wiele zalet w porównaniu z innymi metodami odlewania. Proces ten może być zastosowany do odlewania zarówno stopów żelaza jak i metali nieżelaznych oraz może być zastosowany do bardzo różnorodnych rodzajów odlewów w odróżnieniu od innych technologii. Dla przykładu można podać, że odlewanie w masach z bentonitem jest stosowane do produkcji wszystkich rodzajów odlewów, począwszy od małych odlewów precyzyjnych skończywszy na odlewach dużych. Jeżeli są prowadzone odpowiednie metody formowania i kontroli jakości masy formierskiej, to mogą być osiągnięte bardzo wysokie tolerancje wykonywanych odlewów. Inna przewagą tej technologii nad pozostałymi jest relatywnie krótki czas niezbędny do wykonania formy w porównaniu z wieloma innymi technologiami. Dodatkowo prostota tej technologii umożliwia w sposób idealny wprowadzenie mechanizacji procesu.

Formowanie ręczne jest wprawdzie ciągle jeszcze spotykane, jednak formowanie maszynowe jest obecnie najbardziej rozpowszechnione. Dwie kolejne operacje muszą być wykonane przez maszynę formierską: pierwszą jest zagęszczanie masy formierskiej, po której następuje oddzielenie modelu od zagęszczonej masy. Najczęściej stosowane urządzenia i procesy podążające za podanymi wymaganiami przedstawiono poniżej.

Formierki prasujące wykorzystują ciśnienie do upakowania (ubicia, zagęszczenia) masy. Zagęszczanie jest dokonywane przez głowicę prasującą lub wielotłoczkową głowicę prasującą. Formowanie przez prasowanie w pojedynkę jest coraz mniej efektywne wraz ze wzrostem wysokości połówki formy. W takich przypadkach proces wstrząsania w znakomity sposób zwiększa stopień zagęszczenia masy.

Przy formowaniu impulsowym, masę formierską grawitacyjnie umieszcza się w skrzynce formierskiej i poddaje zagęszczeniu przez oddziaływanie uwolnionego ze pomocą szybkiego zaworu sprężonego powietrza. Ten proces daje duże równe zagęszczenie, szczególnie przy modelu.

Przy formowaniu bezskrzynkowym, z podziałem zarówno pionowym jak i poziomym uzyskuje się bardzo dużą wydajność produkcji. Można również uzyskać dużą dokładność formy, lecz system ten wymaga efektywnej instalacji i wysokiej jakości modeli zapewniających uzyskanie pożądanego efektu. [32, CAEF, 1997], [42, US EPA, 1998]

2.5.5. Formowanie próżniowe (proces -V)

W tym procesie stosuje się suchy piasek, zagęszczany wibracyjnie bez dodatku żadnego materiału wiążącego. Piasek znajduje się pomiędzy dwoma polietylenowymi płytami w częściowej (niepełnej) próżni.Wytwarzanie połówki formy zostało przedstawiono na rysunki 2.30. Kolejne fazy procesu są następujące:

- model jest przymocowany do szczelnej komory, połączonej z pompą próżniową. Model jest odpowietrzany przez otwory o niewielkiej średnicy połączone ze komorą próżniową,

- cienka warstwa polietylenowego octanu winylu (PEVA) o grubości 75 do 100 μm jest nagrzewana do temperatury około 850C,

- ta warstewka, rozszerzona pod wpływem ciepła jest nakładana na model i utrwalona (umocowana) na nim przez próżnię podaną poprzez szczelną komorę

- skrzynka formierska, z możliwością wytworzenia próżni, jest nakładana na model i wypełniana suchym piaskiem

- piasek zostaje zagęszczony przy użyciu wibracji. Po uzyskaniu gładkiej powierzchni na piasek jest nakładana druga warstwa PEVA,

- powietrze zostaje odciągnięte ze skrzynki formierskiej i w tym samym czasie szczelna komora zostaje podłączona się do próżni. Próżnia usztywnia piasek i połówka formy może zostać usunięta,

- druga połówka formy jest wykonywana w ten sam sposób, po czym obie połówki są składane razem i mocowane z wciąż podłączoną próżnią

- po złożeniu dwóch połówek gotową formę można zalewać ciekłym metalem; obie połówki formy pozostają w próżni aż do momentu, gdy odlew ostygnie na tyle by go można było wybijć,

- wybijanie odbywa się przez odłączenie próżni. Piasek wysypuje się ze skrzynki przez kratę i może być regenerowany po wcześniejszym odpyleniu i oddzieleniu niespalonych folii plastyku.

[174, Brown, 2000]

Rys. 2.30. Formowanie próżniowe [179, Hoppenstedt, 2002]

2.5.6. Wykonywanie form i rdzeni w masach wiązanych chemicznie

W przypadku wykonywania rdzeni, spotyka się najczęściej technologie wykorzystujące chemiczne materiały wiążące. Rdzenia wymagają innych właściwości fizycznych aniżeli formy, dlatego rodzaj materiału wiążącego stosowanego do wykonania rdzeni musi być inny niż zastosowany do produkcji form. Rdzenie muszą wytrzymać duże siły które mogą pojawić się w momencie zapełniania formy odlewniczej ciekłym metalem i często muszą być później usuwane z małych przestrzeni w zakrzepłym odlewie. Oznacza to, że materiał wiążący musi pozwolić na wytworzenie wytrzymałego rdzenia, który rozpadnie się i pozwoli się łatwo usunąć po zakrzepnięciu odlewu. Z tego powodu rdzenie są zwykle wykonywane z piasku kwarcowego (czasami z piasku oliwinowego, cyrkonowego lub chromitowego) i silnych materiałów wiążących. Mieszanina piasku i materiału wiążącego jest umieszczana w rdzennicy gdzie jest formowana do wymaganego kształtu i utwardzana, a następnie wyciągnięta z rdzennicy. Utwardzanie jest wynikiem reakcji chemicznej bądź katalitycznej lub następuje pod wpływem ciepła.

W tabeli 2.10 przedstawiono udział poszczególnych technologii wykonywania rdzeni w niemieckich odlewniach motoryzacyjnych w roku 1991. Na podstawie przedstawionej tabeli można stwierdzić, że technologie cold-box i hot-box zdominowały rynek. Ponad 90 odlewni motoryzacyjnych stosuje aminowy proces cold-box. Pozostałe procesy (Croning, krzemianowy-CO2) są stosowane głównie jako uzupełniające np. do wykonywania rdzeni o określonych wymaganiach (rozmiar, grubość,…). [42, US EPA, 1998], [174, Brown, 2000]

Technologia Ilość odlewniAminowy proces cold-box 44Hot-box 10Shell/Croning 9Krzemianowy proces CO2 3

Tabela 2.10. Procesy wykonywania rdzeni stosowane w 48 odlewniach motoryzacyjnych w Niemczech, 1991 [174, Brown, 2000]

2.5.6.1. Procesy utwardzania w temperaturze otoczenia

Utwardzanie mas tego typu zachodzi w temperaturze otoczenia. Proces rozpoczyna się w momencie, gdy ostatni składnik zostanie wprowadzony do mieszaniny. Od tego momentu proces trwa on od kilku minut do kilku godzin, w zależności od technologii, zawartości materiału wiążącego i mocy utwardzacza.

Tego typu procesy są częściej stosowane do produkcji form aniżeli rdzeni, szczególnie do wykonywania form do odlewów dużych i średnich.

2.5.6.1.1. Proces fenolowy, katalizowany kwasem

Ten proces jest stosowany od roku 1958. Ze względu na fakt, że składniki są stosunkowo tanie, proces ten jest głównie wykorzystywany do produkcji dużych odlewów. Można go stosować do wszystkich rodzajów odlewanych stopów. Utwardzanie tych żywic jest trudniejsze i mniej regularne w porównaniu do żywic furanowych.

Stosuje się żywice fenolowo-formaldehydowe (PF), lub uretanowo-formaldehydowo/fenolowo-formaldehydowo kopolimery (UF/PF), obydwie będące „rezolami” ze stosunkiem formaldehydu do fenolu większym od 1.Katalizatorami są mocne kwasy sulfonowe, takie jak paratoluenowy, ksylenowy, benzosulfonowy, czasami z dodatkiem kwasu siarkowego, zwykle w postaci rozcieńczonej.

2.5.6.1.2. Proces furanowy z zastosowaniem utwardzania kwasami

Tego typu materiały wiążące, które zostały wprowadzone do odlewnictwa w roku 1958 są często stosowane do produkcji form i rdzeni przy wykonywaniu odlewów średnich i dużych, przy produkcji mało- i średnioseryjnej oraz dla wszystkich stopów odlewniczych. Tylko określone materiały wiążące tego typu mogą być stosowane do odlewów staliwnych z powodu niebezpieczeństwa powstawania pęknięć, żeber i nakłuć. Proces jest elastyczny w zastosowaniu i właściwościach. Alkohol furfurylowy (FA) ma tą wadę, że jest produktem (strategicznym) podstawowym i cena jego podlega wahaniom rynku. Furanowe materiały wiążące są porównywalne z fenolowymi, odnośnie mechanizmu wiązania oraz stosowanych kwaśnych utwardzaczy, które są takie same w obu procesach. Przykłady rdzeni wykonanych z zastosowaniem procesu furanowego zostały przedstawione na rysunku 2.31.

Rys. 2.31. Rdzenie wykonane w masach furanowych [237, HUT, 2003]

Dodatek kwaśnego utwardzacza do żywicy furanowej powoduje egzotermiczną reakcję polikondensacji, w wyniku której utwardza się materiał wiążący. Żywice furanowe są dostępne w różnych odmianach, przy czym podstawą wszystkie z nich jest alkohol furfurylowy:

- żywica furanowa FA,- żywica mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowa UF-FA,- żywica fenolowo-formaldehydowo-furfurylowa PF-FA,- żywica mocznikowformaldehydowo-fenolowa-furfurylowa UF-PF-FA,- żywica rezorcynolowo-furfurylowa R-FA.

Prawie zawsze do żywic, w celu zwiększenia siły wiązania, dodaje się silan. Utwardzaczami są silne kwasy sulfonowe, takie jak paratoluenowy, ksylenowy lub benzenosulfonowy, czasami z dodatkiem kwasu siarkowego lub fosforowego, zwykle w postaci rozcieńczonej.[110, Vito, 2001]

2.5.6.1.3. Proces poliuretanowy (fenolowo-izocjanowy)

Ten proces jest rzadko stosowany do produkcji form i rdzeni, z zastrzeżeniem aby go nie stosować do wykonywania odlewów staliwnych ze względu na niebezpieczeństwo pojawienia się w odlewach pęknięć i nakłuć. Temu niekorzystnemu zjawisku można jednak zapobiec przez dodatek tlenku żelaza i suszenie form i rdzeni. W niektórych krajach (np. w Szwecji) ten rodzaj materiału wiążącego nie jest stosowany od 25 lat, głównie ze względu na jego niekorzystny wpływ na warunki pracy.

Omawiany proces bazuje na poliaddytywnej reakcji pomiędzy fenolową żywicą i izocyjanianem (głównie MDI-metylodiizocyjanian), katalizowanej pochodną pirydyny; w rezultacie uzyskuje się strukturę poliuretanową. Wszystkie komponenty są rozpuszczone w aromatycznym, i/lub polarnym rozpuszczalniku (tj. rozpuszczalnik alifatyczny) z wysoką temperaturą wrzenia. Zanieczyszczenie wodą musi być szczególnie unikane, gdyż woda silnie reaguje intensywnie z izocyjanianem.

2.5.6.1.4. Proces rezolowo-estrowy (utwardzany zasadowym estrem fenolowym)

Ten proces jest stosowany przy mało- i średnioseryjnej produkcji. Może być użyty dla wszystkich stopów odlewniczych, lecz szczególnie jest przeznaczony do lżejszych stopów, ze względu na dobrą wybijalność. Brak azotu wśród składników tego materiału wiążącego jest cechą korzystną dla wykonywania odlewów ze staliwa.

Żywicą jest alkaliczny roztwór rezolu fenolowego, który reaguje z ciekłym estrem. Żywica i ester wytwarzają niestabilny kompleks, powodujący żelowanie. Kompleks ten ulega rozpadowi i powoduje polimeryzację żywicy, w wyniku czego powstaje sól i alkohol.

W tym procesie prędkość wiązania nie zależy od ilości dodanego utwardzacza, ale jest regulowana jego rodzajem. Czas utwardzania może się zmieniać od kilku do kilkudziesięciu minut. Właściwości wytrzymałościowe bezpośrednio po utwardzeniu są niskie, lecz polepszają się w miarę odstawania.

2.5.6.1.5. Proces alkidowy, bez suszenia

Ta technologia jest zwykle stosowana do pojedynczych odlewów ze staliwa. Jej zaletą jest bardzo dobra jakość powierzchni i dobra wybjalność. Wadą jest wysoka cena.

Modyfikowana żywica poliestrowa jest mieszana z izocyjanianem, w wyniku czego powstaje żywica poliuretanowa, która charakteryzuje się długim czasem utwardzania. Utwardzanie formy jest przyspieszane użyciem katalizatora i uzupełnianee nagrzewaniem jej do temperatury 150oC.

2.5.6.1.6. Proces krzemianowo-estrowy

Stosowany przede wszystkim w odlewniach staliwa dla wykonywania odlewów dużych i średniej wielkości przy produkcji mało- i średnioseryjnej. Technologia ta jest podobna do alkidowej. Jakkolwiek charakteryzuje się gorszą wybijalnością i właściwościami mechanicznymi aniżeli technologie wiążące z żywicami organicznymi.

Utwardzanie krzemianów estrowych przechodzi przez fazę pośrednią, która polega na hydrolizie estru w alkalicznym roztworze krzemianu. Ten proces hydrolizy powoduje powstanie glicerolu i kwasu octowego, które wytrącają żel krzemianowy który inicjuje wiązanie. Właściwości wytrzymałościowe poprawiają się w miarę suszenia pozostałości krzemianu.

2.5.6.1.7. Masy cementowe

Ta technologia jest stosowana do produkcji bardzo dużych odlewów. Technologia ta nie powoduje żadnych problemów związanych z emisją podczas formowania i wykonywania rdzeni.

2.5.6.2. Procesy z utwardzaniem czynnikiem gazowym

W tego typu technologiach utwardzanie przebiega przez wprowadzenie katalizatora lub utwardzacza w postaci gazowej. Prędkość utwardzania może być bardzo duża , co pozwala uzyskać bardzo wysoką wydajność produkcji. Technologia ta jest właściwa przy produkcji odlewów o ograniczonej wielkości, przy produkcji średnioseryjnej i masowej. Jej użycie rozszerza się w ostatnich latach.

Oddziaływania i reakcje chemiczne wielu z procesów z utwardzaniem czynnikiem gazowym są podobne, jak w technologiach z utwardzaniem przebiegającym w temperaturze otoczenia. Ze względu na gazową postać katalizatora, czasami niezbędna jest wychwytywanie i obróbka zanieczyszczeń gazowych powstających podczas procesu.

2.5.6.2.1. Proces cold-box (aminowy)

Ten proces jest często stosowany przy produkcji rdzeni o masie 100 kg i większych, oraz mniejszych form. Jego zaletą jest bardzo gładka powierzchnia i bardzo duża dokładność wymiarowa odlewu. Wybijalność rdzeni jest wyśmienita i masa zużyta może być w prosty sposób regenerowana. Jest to najczęściej stosowany proces do wytwarzania rdzeni. Przykładowy rdzeń wykonany w technologii cold-box zostały przedstawiony na rysunku 2.32.

Rys. 2.32. Rdzeń wykonany w technologii cold-box[237, HUT, 2003]

Reakcje chemiczne zachodzące podczas tego poliuretanowego procesu, są bardzo podobne jak przy procesie poliuretanowym zachodzącym w temperaturze otoczenia: np. proces ten wymaga żywicy fenolowej i izocyjanianu (MDI). Jedynie katalizator jest inny; w przypadku procesu cold-box stosowana jest trzeciorzędowa amina, np. trioetyloamina (TEA), dimetyloamina (DMEA), dimetyloizopropyloamina (DMIA) badań dimetylopropyloamina (DMPA). Amina jest stosowana w stanie gazowym, z zastosowaniem sprężonego powietrza, azotu lub CO2 jako gazu nośnego. Zarówno żywica, jak i izocyjanian są rozpuszczone w aromatycznym, i/lub polarnym rozpuszczalniku o wysokiej temperaturze wrzenia. Zanieczyszczenie wodą musi być szczególnie unikane gdyż woda silnie reaguje z izocyjanianem i osłabia spoiwo.

Amina dostarczana jest albo przez generator, w którym wspomagający gaz, raczej obojętny jest nasycony parami aminy, lub przez inżektor, mierzący określoną ilość aminy wymaganą do procesu. Następnie amina jest transportowana do masy rdzeniowej przez sprężone powietrze lub gazowy azot. Udział materiału wiążącego zawiera się w przedziale 1,0-2,0% w stosunku do masy piasku, przy stosunku żywica:izocyjanian 50:50.

Amina występuje w tej technologii jako katalizator i nie jest zużywana podczas procesu. Po utwardzeniu pozostaje w piasku tworzącym rdzeń lub formę i musi zostać usunięta. Usuwanie aminy trwa 10-15 razy dłużej czas podawanie aminy. Ilość aminy niezbędnej do utwardzenia wynosi około 0.05% w stosunku do masy piasku, lecz zwykle stosuje się 0,1-0,15%.W odmianie tego procesu nazywanej „proces Cold-box Plus” rdzennica jest podgrzewana do temperatury 40-800C przy użyciu cyrkulującej gorącej wodnej. W tej technologii uzyskuje się rdzenie o lepszych właściwościach wytrzymałościowych, lecz przerwy pomiędzy wykonaniem kolejnych rdzeni są większe.[110, Vito, 2001]

2.5.6.2.2. Proces rezolowo-estrowy (alkaliczno-fenolowy utwardzany mrówczanem metylu)

Jest to stosunkowo nowy proces. Jego zalety i wady są podobne jak przy procesie z utwardzaniem w temperaturze otoczenia, od którego on pochodzi. Ze względu na to, że cena

tego materiału wiążącego jest dość wysoka stosuje się go głównie to produkcji rdzeni. Pomimo odnotowanych problemów z regeneracją mas zużytych pochodzących z tej technologii znajduje ona szerokie zastosowanie ze względu na bardzo dobrą wybijalność; zdolność do zapobiegania pęknięciom, żyłkom i nakłuciom oraz ze względu na emisję nieprzyjemnych zapachów. Technologia ta może być stosowana do każdej serii produkcyjnej i wszystkich rodzajów stopów, lecz głównie jest stosowana do stopów lekkich i super lekkich (dobra wybijalność) i staliwa (małe ryzyko pęknięć).

Żywica jest alkalicznym rezolem fenolowym fenolem rezolowym, reagującym z mrówczanem metylu w wyniku czego powstaje metanol i alkaliczny mrówczan. Żywica fenolowa jest strącana w postaci żelu i wiąże wszystkie składniki ze sobą. Następująca potem reakcja sieciowania prowadzi do uzyskania dużych wartości wytrzymałości rdzenia po odstaniu.

Mrówczan metylu w temperaturze otoczenia pozostaje w stanie ciekłym, jego temperatura wrzenia wynosi 320C, lecz ulatnia się do powietrza przy nagrzewaniu do temperatury 800C; powietrze odgrywa role czynnika transportującego w czasie procesu. Po przedmuchiwaniu gazem zawsze następuje oczyszczanie (przedmuchiwanie) powietrzem, którego celem jest równomierne rozłożenie mrówczanu metylu w masie.

2.5.6.2.3. Proces furanowy utwardzany SO2

Ten proces nie znajduje obecnie szerokiego zastosowania, jakkolwiek jest bardzo dobry w zastosowaniu do szerokiej gamy odlewów wykonywanych w małych i średniej wielkości formach i rdzeniach, ze wszystkich rodzajów stopów.Siarkowy katalizator może wywoływać problemy metalurgiczne związane z powierzchnią odlewów z żeliwa sferoidalnego. Główną zaletą tej technologii jest długa trwałość przygotowanej masy, dobre właściwości wytrzymałościowe, dobra wybijalność oraz zapobieganie powstawaniu pęknięć. Niemiej jednak jej wprowadzenie do przemysłu jest ograniczone ze względu na lepki charakter żywicy i obawami związanymi z użyciem dwutlenku siarki jako utwardzacza.

W tym procesie stosuje się żywice furanowe, które zawierają około 80% alkoholu furfurylowego. Żywice polimeryzują pod wpływem kwasu. Tego typu żywice muszą być mieszane z piaskiem i utleniaczami, jak na przykład organicznym nadtlenkiem lub nadtlenkiem wodoru. Reakcja pomiędzy tymi nadtlenkami i wprowadzonym dwutlenkiem siarki prowadzi do powstania kwasu siarkowego, który wywołuje gwałtowną polimeryzację. Po przedmuchiwaniu gazem zawsze następuje przedmuchanie oczyszczające, które ma na celu usunięcie z masy dwutlenku siarki, który nie przereagował.[32, CAEF, 1997], [174, Brown, 2000]

2.5.6.2.4. Proces epoksy/akrylowy utwardzany SO2 (proces FRC-Free Radical Curing)

Ten proces wykazuje wiele zalet: dobrą zagęszczalność, długą trwałość przygotowanej masy (mieszarki i głowice strzałowe nie muszą być czyszczone), dobre właściwości wytrzymałościowe, brak azotu, fenolu i formaldehydu, dobrą wybijalność, nie powoduje powstawania pęknięć. Główną wadą tego materiału wiążącego jest jednak jego wysoka cena.

Cechą tego procesu jest nie typ żywicy, lecz podstawy sieciowania, które zachodzi przez wolne rodniki. Żywica musi posiadać podwójne wiązanie węglowe: poliester-akryl, poliester-uretan lub poliester-żywica epoksydowa mogą być zastosowane. Te żywice w większości mają małą masę cząsteczkową i są rozpuszczone w rozpuszczalnikach organicznych w ilości około 50% wagowo, jakkolwiek rozpuszczalnik dowolnego typu jest dopuszczalny. Są one mieszane z organicznym nadtlenkiem, który inicjuje reakcję. Dwutlenek siarki jest

transportowany przez gaz obojętny, na przykład dwutlenek węgla lub azot i przedmuchiwany przez masę.Po przedmuchaniu gazem zawsze następuje przedmuchiwanie za pomocą tego samego gazu obojętnego, który był zastosowany do transportu. Proces ten ma na celu usunięcie z piasku dwutlenku siarki, który nie przereagował.

2.5.6.2.5. Proces krzemianowy utwardzany CO2 (szkło wodne)

Ten proces ma wiele zalet: jest tani, prosty do prowadzenia i nieszkodliwy dla środowiska naturalnego. Również ze względu na zdrowie pracowników i powtarzalność ten proces posiada przewagę nad procesami z organicznymi materiałami wiążącym. Jest to technologia często stosowana: zaznaczający się spadek jej popularności wiąże się z problemami technicznymi, takimi jak słaba zagęszczalność, rozsypywanie się form, niskie właściwości wytrzymałościowe, wychwytywanie wilgoci i słaba regenerowalność. Dodatkowo zastosowanie technologii szkła wodnego może doprowadzić do wzrostu kosztów oczyszczania odlewów. Rdzenie uzyskują pełną wytrzymałość dopiero po poddaniu ich procesowi suszenia. To zmniejsza możliwość zastosowania tej technologii w liniach automatycznych. Dlatego znajduje ona zastosowanie głównie w małych odlewniach.

Głównie stosowany jest krzemian sodu, określany przez stężenie (w stanie stałym i suchym) i moduł (stosunek krzemu do sodu SiO2/Na2O). Wartości modułu wahają się w przedziale 2,0 do 2,8, przy czym najpopularniejszy jest moduł 2,0 do 2,3. Krzemian jest mieszany z piaskiem w ilości pomiędzy 2 do 4%. Dodatki ułatwiające wybijanie i usuwanie rdzeni są często stosowane i zwykle mieszane wcześniej z krzemianem.

Utwardzanie przebiega przez przedmuchiwanie dwutlenkiem węgla, ze względu na jego lekko kwaśny charakter. Udział CO2 powinien wynosić 1 do 2% w stosunku do masy piasku: czas przedmuchiwania wynosi od 10 do 60 sekund. Przedmuchiwane formy i rdzenie nie wymagają oczyszczania.[126, Teknologisk, 2000], [152, Notzon and Heil, 1998]

2.5.6.2.6. Proces alkaliczny fenolowy utwardzany CO2

Po raz pierwszy ten proces został wprowadzony w roku 1989 i od tego czasu był poddawany udoskonaleniom. Technologia ta jest obecnie dostępna i stosowana przez kilka odlewni, lecz nie jest jeszcze szeroko rozpowszechnione.

Żywica jest fenolową żywicą alkaliczną, zawierającą substancje wiążącą o wysokim odczynie pH wynoszącym około 14. Utwardzanie polega na przedmuchiwaniu dwutlenkiem węgla, który rozpuszcza się w wodzie, będącej rozpuszczalnikiem żywicy, przez co zmniejsza się pH i aktywuje substancją wiążącą.

2.5.6.3. Procesy z utwardzaniem w wysokiej temperaturze

W tych technologiach, utwardzanie zachodzi na skutek podgrzewania mieszaniny piasku i żywicy, lub częściej przez dopuszczenie do kontaktu tej mieszaniny z nagrzanym zespołem modelowym. Wszystkie procesy tego typu zapewniają dobrą dokładność wymiarową, która może być uzyskana tylko pod warunkiem użycia dobrej jakości modeli (metalowych), które mogą być bardzo drogie. Z tego względu, procesy z utwardzaniem w wysokiej temperaturze są stosowane przy produkcji rdzeni o ograniczonych rozmiarach, głównie przy produkcji masowej. Ich zastosowanie, bardzo szeroko rozpowszechnione przez lata, jest teraz w fazie spadkowej, gdyż jest zastępowane przez technologie z utwardzaniem czynnikiem gazowym.

Procesy z utwardzaniem w wysokiej temperaturze charakteryzują się głównie problemami emisji; podczas nagrzewania żywice i katalizatory emitują szkodliwe substancje chemiczne w tym amoniak i formaldehyd, które mogą być przyczyną nieprzyjemnych zapachów. Próbowano zastąpić wiele technik aby rozwiązać ten problemu, takie jak: przemywanie, dopalanie lub biologiczną neutralizację. Jednak żadna z nich nie okazała się wystarczająco skuteczna.

2.5.6.3.1. Proces gorącej rdzennicy (hot-box), bazujący na żywicach fenolowych i/lub furanowych

Z zastosowaniem tego procesu można wytwarzać rdzenie o wysokiej dokładności wymiarowej i dobrych właściwościach mechanicznych, lecz aby to osiągnąć wymagana jest bardzo dobra znajomość i kontrola procesu produkcyjnego. Ograniczeniem tego procesu są jego koszty, głównie żywicy, energii oraz oprzyrządowania modelowego. W obecnej chwili jest on stosowany przy masowej produkcji małych i średnich rdzeni.

Żywica wiążąca i katalizator aktywowany cieplnie są wstępnie mieszane z piaskiem i jako mieszanina wdmuchiwane do nagrzanej rdzennicy lub na model, gdzie są utwardzane przez około 5 do 60 sekund.

Do tego procesu może być użyte wiele rodzajów żywic, np.:- mocznikowo -formaldehydowa , UF,- mocznikowo-formaldehydowo-furfurylowa, UF-FA,- fenolowo-formaldehydowa, PF,- fenolowo- formaldehydowo-furfurylowa, PF-FA,- mocznikowo -formaldehydowo-fenlowo-formaldehydowa, UF-PF,- mocznikowo -formaldehydowo-fenolowo-formaldehydowo-furfurylowa, UF-PF-FA.

Katalizatorami są sole amonowe kwasów nieorganicznych, czasami z dodatkiem mocznika w celu redukcji wolnego formaldehydu. Ponadto mogą być stosowane inne dodatki, takie jak krzemiany, tlenki żelaza, środki konserwujące i olej silikonowy.

Dodatek żywicy wynosi się od 1,2 do 3% w stosunku do masy piasku, ze średnią stosowaną najczęściej wynoszącą około 1,8%. Dodatek katalizatora zawiera się w przedziale od 10 do 25% w stosunku do ilości użytej żywicy, przy czym dla większości żywic jest optymalny wynosi 20%. Najczęściej stosowana temperatura modelu waha się w przedziale 230-290oC, z optymalnym zakresem 220-250oC. W przypadku stosowania bardzo wysokiej temperatury w celu przyspieszenia wiązania, powierzchnia rdzenia może ulec przypaleniu, co z kolei może prowadzić do jej kruchości podczas zalewania.

2.5.6.3.2. Proces ciepłej rdzennicy (warm-box)

Ta technologia jest bardzo podobna do technologii hot-box; stosuje się przy niej te same techniki. Różni się ona od hot-box jedynie rodzajem użytej żywicy, która umożliwia utwardzenie rdzenia w niższej temperaturze. Jednakże ten rodzaj żywicy jest znacznie droższy niż żywica stosowana w technologii hot-box. Dlatego proces ciepłej rdzennicy warm-box, pomimo wielu zalet, nie jest często stosowany.

Spoiwo bazuje na alkoholu furfurylowym, z typową zawartością alkoholu furfurylowego około 70% lub stałego polimeru tego alkoholu. Katalizatorem są sole miedzi pochodzące z aromatycznych kwasów sulfonowych w roztworze wodnym lub alkoholowym. Charakterystyczna cechą tych katalizatorów jest ich doskonała stabilność w temperaturze

otoczenia i stosunkowo niska temperatura dysocjacji wynosząca około 150-170oC. W związku z tym temperatura oprzyrządowania może wynosić 180oC, co prowadzi do poważnych oszczędności energii dochodzących do 15-25% w porównaniu z procesem gorącej rdzennicy hot-box.

2.5.6.3.3. Proces skorupowy (Croninga)

Jest to jedyny proces wśród wszystkich innych procesów produkcji form i rdzeni, w którym stosuje się powleczony żywicą piasek, dostarczany bezpośrednio od producentów w formie gotowej do użycia, jakkolwiek powlekanie piasku może odbywać się również w odlewni.

Piasek jest utwardzany w wyniku podgrzewania go na metalowym modelu, w wyniku czego wytwarza się twarda powierzchnia. Nienagrzany, czyli niezwiązany piasek może być usunięty przez odwrócenie modelu i następnie ponownie użyty. Utwardzony piasek tworzy „skorupę”, której technologia ta zawdzięcza nazwę.

Ten proces zapewnia wysoką dokładność wymiarową i dobrą jakość powierzchni odlewów, dobrą wybijalność i możliwość usuwania rdzeni oraz umożliwia nielimitowany czas przetrzymywania piasku powleczonego. Ograniczeniami tej technologii są ceny: piasku powleczonego i oprzyrządowania modelowego. Produkcja jest ograniczona do małych i średnich form i rdzeni przy produkcji masowej. Przykładowe formy i rdzenie wykonane w tej technologii przedstawiono na rysunku 2.33.

Rys. 2.33. Rdzenie (górne zdjęcie) i formy (dolne zdjęcie) wykonane w technologii skorupowej

[23, HUT, 2003]

Żywica stosowana do powlekania jest żywicą fenolową „nowolak”, ze stosunkiem ilości formaldehydu do fenolu poniżej 1. Heksymetylotetraamina jest dodawana do żywicy jako utwardzacz. „Heksa” rozkłada się w temperaturze 1600C na dwa główne składniki: formaldehyd i amoniak. W momencie zetknięcia się powlekanego żywicą piasku z nagrzanym

modelem, heksymetylotetraamina ulega rozkładowi i formaldehyd wiąże żywicę, tworząc mocne wiązanie.

2.5.6.3.4. Proces z olejem lnianym

Jest to starożytna technologia, będąca prawdopodobnie technologią najstarszą wykorzystującą masy wiązane chemicznie. Jest też techniką bardzo prostą w użyciu, nie wymaga skomplikowanych modeli i przeciwdziała tworzeniu się w odlewach żyłek i pęknięć. Jest w ciągłym, szerokim zastosowaniu przy produkcji niewielkich, specjalnych rdzeni.

Tego typu masy są wiązane mieszaniną suszonych olejów, najczęściej oleju lnianego, często z dodatkiem dekstryny i kilku procent wody. Dodatek oleju waha się w przedziale od 0.8 do 4%, w stosunku do masy piasku. Dodane mogą być też związki przyspieszające wysychanie. Utwardzanie przebiega przez sieciowanie nienasyconych, kwasów tłuszczowych zawartych w oleju, wywołane przez tlen z atmosfery i przyspieszane w wyniku podgrzewania w piecu w temperaturze pomiędzy 190 a 2600C przez czas 1 do 2 godzin.

2.5.6.3.5. Proces alkidowy, suszony

Ta technologia jest podobna do opisanej poprzednio opisującej proces alkidowy zachodzący w temperaturze otoczenia. Jedyną różnicą w opisywanej technologii jest obróbka termiczna wykonanych form i rdzeni, przeprowadzana w celu przyspieszenia utwardzania.

2.5.6.4. Powłoki na formy i rdzenie wykonane z mas wiązanych chemicznie

Wyznacznikiem fachowości odlewników jest wyprodukowanie wysokiej jakości odlewu bez wad, wymagającego jedynie niewielkiej obróbki wykańczającej i ewentualnie niewielkiej naprawy. Aby uzyskać taki efekt idealnym rozwiązaniem jest dążenie do minimalizacji jakichkolwiek oddziaływań, które mogą mieć miejsce pomiędzy formą i rdzeniem a metalem w chwili zalewania. Te oddziaływania mogą być powodowane przez różne czynnik, takie jak rozszerzalność piasku, wady formy, zużycie piasku, penetracja metalu, rozkład chemiczny lub w wyniku oddziaływania pomiędzy materiałami wiążącymi, itp.

Z tych względów, często korzystne jest nakładanie na formy lub rdzenie powłoki ogniotrwałej w celu uzyskania gładkiej powierzchni odlewu i obniżenia kosztów obróbki wykańczającej.

2.5.6.4.1. Skład powłok

Powłoki są dostępne jako produkty gotowe do użycia lub jako masa do rozpuszczenia w wodzie lub alkoholu. Zwykle powłoki zawierają następujące składniki:

- jeden lub więcej materiałów ogniotrwałych, takich jak talk, pirofilit, mika, cyrkon, magnezyt, kwarc, itp., lub czernidło,

- płyn do wykonania roztworu, może nim być alkohol (np. izopropanol, etanol) lub woda,- wysokotemperaturowe materiały wiążące, takie jak bentonity, żywice, kwas borowy,- dodatki reologiczne, takie jak bentonity czy syntetyczne poliestry,- dodatki, takie jak środki powierzchniowo-czynne, przeciw-spieniacze, przeciw-

grzybicze, itp.

2.5.6.4.2. Proces nakładania powłok ochronnych

Powłoka może być nanoszona na powierzchnię formy i rdzenia następującymi sposobami:

- za pomocą pędzla, w przypadku małych rdzeni czy miejsc trudno dostępnych, - przez zanurzanie, w przypadku skomplikowanych rdzeni, jest to często

zautomatyzowany proces,- przez natryskiwanie, zwykle bez użycia powietrza,- przez spływanie, dla dużych i średniej wielkości odlewów lub rdzeni.

Jeżeli stosowana jest powłoka na bazie alkoholu, stanowisko pracy musi być wentylowane w celu zapobieżenia niebezpieczeństwu pożaru lub eksplozji. Pokryte formy lub rdzenie są zwykle wypalane, co ogranicza emisję. Jeżeli nie są wypalane, wówczas suszenie ma miejsce pod wyciągiem z instalacją pomiaru i redukcji węglowodorów aromatycznych. Na rysunku 2.34 przedstawiono pokrywanie przez spływanie pokryciem na bazie alkoholu, a następnie wypalanie lub suszenie.

Rys. 2.34. Pokrywanie przez spływanie pokryciem alkoholowym, z następnym wypalaniem lub suszeniem

[237, HUT, 2003]

Suszenie powłok na bazie wody zachodzi w wyniku nagrzewania w piecu suszącym z użyciem gorącego powietrza, promieni podczerwonych lub mikrofal. Nanoszenie powłok na rdzenie metodą zanurzeniową i następne suszenie gorącym powietrzem jest przedstawione na rysunku 2.35. Powłoki wodne nie stwarzają niebezpieczeństwa emisji, zarówna podczas nanoszenia jak i suszenia. Z tego powodu powłoki tego typu w obecnych czasach często zastępują powłoki na bazie alkoholu. Jednakowoż, ich zastosowanie napotyka ograniczenia technologiczne związane z uzyskaniem ciągłości pokrycia i ograniczeniami suszenia. Pełne omówienie powłok wodnych i alkoholowych zostało przedstawiono w rozdziale 4.3.3.5. [143, Inasmet and CTIF, 2002]

Rys. 2.35. Nanoszenie na rdzenie powłoki przez zanurzanie i następujące po nim suszenie w piecu nagrzewanym strumieniem gorącego powietrza. [237, HUT, 2003]

2.5.7. Odlewanie z zastosowaniem modeli spienionych

Przy stosowaniu modeli spienionych, model nie jest usuwany z formy przed zalaniem. Model, wykonany z materiału rozprężającego się, jest jednokrotnego użycia ulega zniszczeniu w momencie zalania ciekłym metalem. Modele mogą być otoczone masami wiązanymi chemicznie lub samym piaskiem bez materiału wiążącego, utwardzanego w wyniku wibracji.

Ten proces, zwyczajowo nazywany „lost foam casting”, został opracowany 30 lat temu i jego komercyjne zastosowanie było początkowo raczej powolne. Jednak pomimo poważnych problemów, związanych z jego wprowadzeniem przez ostatnie 10-15 lat, technologia ta stosowana jest częściej, szczególnie w przypadku masowej produkcji odlewów dla motoryzacji lub inngo przeznaczenia.

2.5.7.1. Masa bez spoiwa – klasyczny proces pełnej formy

Proces traconego modelu (rys. 2.36) rozpoczyna się od projektu wykonanego w systemie 3D-CAM i wytworzenia skomplikowanego modelu, wykonanego zwykle z polistyrenu (EPS) lub polimetakrylanu metylu PMMA, wykonanego z zastosowaniem maszyn wtryskowych. Modele mogą być wykonane w jednej części lub mogą być sklejane z kilku części. Zwykle kilka modeli, w zależności od ich gabarytów jest mocowane (sklejane) do pionowego układu wlewowego wykonanego z tego samego materiału, tym samym tworząc wiązkę zwaną „choinką”.

Rys. 2.36. Proces Lost Foam[110, Vito, 2001]

Formy w postaci „choinki” są zanurzane w wodnym pokryciu ogniotrwałym, które stanowi barierę pomiędzy ciekłym metalem i piaskiem w chwili zalewania. Po suszeniu „choinka” jest umieszczana w pozycji pionowej w skrzynce formierskiej, którą wypełnia się czystym, niezwiązanym piaskiem. Do piasku można dodać żywicy o małej lepkości w celu zapobieżenia deformacjom, mogącym się zdarzyć podczas zagęszczania. Piasek jest

zagęszczany za pomocą trzy-osiowych wibracji dookoła modelu, dzięki czemu piasek dokładnie penetruje model, odtwarzając dokładnie każdy detal, przez co czyni rdzenie i oprzyrządowanie rdzeniowe niepotrzebnym. Pod wpływem zalewania, ciekły metal powoduje pyriolizę polistyrenu i wypełnia opróżnioną przestrzeń.

Piasek, głównie kwarcowy, musi charakteryzować się dobrą przepuszczalnością, w celu zapewnienia ewakuacji gazów powstających w momencie pyriolizy. Zwykle stosuje się piasek typu AFS 35-50. Przerwanie procesu zalewania może powodować zapadnięcie formy. Dlatego często stosuje się automatyzację procesu zalewania.

Odlane elementy charakteryzują się dobrą dokładnością wymiarową, tak jak to przedstawiono na rysunku 2.37. Technologia ta może być stosowana do wykonywania odlewów ze wszystkich stopów, w przypadku produkcji średnio- i wysokoseryjnej. Proces ten nie stwarza zagrożenia dla środowiska w momencie formowania, lecz powoduje powstawanie emisji gazowej podczas zalewania i wybijania odlewu, co jest spowodowane oparami pochodzącymi od modelu. Proces lost foam umożliwił odlewnikom wyprodukowanie skomplikowanych elementów, których często nie dałoby się wykonać z zastosowaniem innych metod. Technologia ta umożliwia technologom projektowanie bardzo skomplikowanych kształtów odlewów, co powoduje zmniejszenie konieczności ich późniejszej obróbki i minimalizuje operacje składania. Na każdym etapie produkcji musi być dotrzymywana odpowiednia kontrola, co zapewni otrzymanie produktu o odpowiedniej wysokiej jakości. Brak umiejętności odpowiedniej kontroli opisywanego procesu był przyczyną spowolnienia jego adaptacji w odlewniach.[32, CAEF, 1997], [110, Vito, 2001], [144, US Dept. of Energy, 1998]

Rys. 2.37. Model wykonany z polistyrenu (po prawej) oraz przykład odlewu wykonanego w technologii Lost Foam (po lewej)

[237, HUT, 2003]

2.5.7.2. Masy wiązane chemicznie – technologia formy pełnej

Proces lost foam może być także stosowany do produkcji odlewów prototypowych, co pozwala na skrócenie czasu dostawy. Ponadto technologia ta może być stosowana przy produkcji bardzo dużych odlewów, jak na przykład części urządzeń obróbczych, pras, itp. wykonanych z żeliwa, staliwa i metali nieżelaznych. Grubość ścianki odlewów może zawierać się w przedziale od 5 mm do 1000 mm. Technologią tą wykonane zostały odlewy o masie do 50 ton. Przy produkcji większych odlewów, w celu otrzymania formy o wymaganej wytrzymałości konieczne jest wprowadzenie materiału wiążącego (najczęściej żywicy furanowej).

Technologia lost foam z zastosowaniem piasku z chemicznym materiałem wiążącym, jest nazywana „technologia formy pełnej” i jest głównie stosowana przy wykonywaniu odlewów średniej wielkości i dużych, przy produkcji małoseryjnej i jednostkowej.

Modele do tej technologii są wykonywane z materiału ekspandującego o małej gęstości, takich jak:- biały, spieniony polistyren, o gęstości od 16 do 20 g/dm3,- niebieski, spieniony polistyren, o gęstości od 18 do 22 g/dm3,- spieniony polimetakrylan metylu, nazwany też PMMA, o gęstości 25 g/dm3.

Materiały te są cięte na kawałki, które następnie są składane ze sobą i sklejane, przez co uzyskuje się ostateczny kształt odlewu, biorąc pod uwagę możliwość skurczu metalu.

Poskładany model, z systemem doprowadzenia metalu i nadlewami, musi zostać pokryty, głownie powłoką wodną, a następnie wysuszony przed osadzeniem w piasku. Proces wiązania piasku kwarcowego musi być specjalnie dobrany tak, aby zapobiec jakimkolwiek zawilgoceniom modelu przed zalaniem formy ciekłym metalem.

Proces ten, do momentu wykonania formy jest nieszkodliwy dla środowiska naturalnego, lecz w okresach zalewania ciekłym metalem i wybijania pojawia się emisja gazowa spowodowana unoszeniem się oparów wypalonego modelu i rozkładem materiału wiążącego formy.

Podobnie jak w przypadku procesu z formowaniem w czystym piasku bardzo ważnym czynnikiem zapobiegającym zniszczeniu formy jest ciągłe zalewanie, bez jakichkolwiek przerw. W przypadku odlewania dużych elementów zalewane przebiega z użyciem dwóch (lub więcej) kadzi zalewczych, dzięki czemu metal jest doprowadzony do dwóch (lub więcej) miejsc formy równocześnie.

Technologia formy pełnej charakteryzuje się następującymi korzyściami:- dużą dokładnością wymiarową,- możliwością wykonania odlewów o skomplikowanych kształtach, szczególnie

wewnętrznych,- kompletowaniem kilku części w jedną część odlewaną,- wykluczeniem, lub zmniejszeniem wolnych krawędzi,- możliwością regeneracji termicznej zużytej masy formierskiej.

Pomimo faktu, że technologia Lost Foam oraz formy pełnej (full mould) są znane od dłuższego czasu, nie są one szeroko rozpowszechnione w Europie. Dzieje się tak głównie ze względu na fakt, że optymalizacja tych technologii wymaga dużej ilości prac badawczych. Głównymi problemami są:- określenie zakresu odlewów: decyzja które odlewy mogą być wykonane prościej (z

zastosowaniem omawianej technologii) w porównaniu do metod tradycyjnych,- wybór metody zagęszczania: sposób oddziaływania na piasek zapewniający idealne

wypełnienie wszystkich wgłębień,- wybór powłoki oraz rodzaju piasku: powinny charakteryzować się wystarczającą

przepuszczalnością, umożliwiającą ewakuację gazów powstających w czasie zalewania.[110, Vito, 2001]

2.5.8. Przygotowanie formy trwałej (metalowej)

Formy trwałe są wykonane z elementów metalowych, dopasowanych do kształtu odlewu, które po złożeniu, stanowią formę odlewniczą, umożliwiają zalewanie metalu i wyciąganie

odlewu z formy. Formy metalowe są stosowane przy odlewaniu grawitacyjnym, odlewaniu ciśnieniowym, odlewaniu odśrodkowym, odlewaniu ciągłym i odlewaniu pod niskim ciśnieniem. W przeciwieństwie do form piaskowych mogą być one stosowane wielokrotnie i z tego względu nazywa się je formami trwałymi.

W przypadku, gdy odlew nie może być wykonany w prosty sposób z wykorzystaniem czopów rdzeniowych, dopuszcza się użycie rdzeni piaskowych. Dla przykładu rdzenie piaskowe są stosowane przy wykonywaniu rur odlewanych odśrodkowo.

Formy trwałe są zwykle pokrywane „białą lub czarną powłoką”. Wodne związki oddzielające, bazujące na materiałach ogniotrwałych są nazywane białymi, natomiast te bazujące na graficie czarnymi. Ich zadaniem jest zabezpieczenie formy, regulacja chłodzenia formy spowodowana parowaniem wody oraz zapewnienie smarowania. Działają również jako oddzielacze.

Czasami powlekanie form czarną powłoką przeprowadza się, spalając acetylen bez obecności powietrza, w wyniku czego powstaje czarny acetylen, który częściowo przykleja się do kokili. Części nie przyklejone muszą być w takim przypadku zbierane aby nie dopuścić do emisji.

Formy trwałe w większości przypadków nie są wykonywane w odlewni, jakkolwiek odlewnie wykorzystujące je mają warsztaty wytwarzające oprzyrządowanie do nich oraz remontujące je. Działalność odlewni w tym zakresie nie powoduje niekorzystnego wpływu na środowisko naturalne.

2.5.9. Odlewanie precyzyjne oraz w formach skorupowych

Jest to proces, wykorzystywany do wykonywania skomplikowanych, cienkościennych odlewów o wymaganej dużej dokładności wymiarowej, części precyzyjnych i o bardzo gładkiej powierzchni.

Kolejne fazy tego procesu zostały przedstawione na rysunku 2.38. Proces rozpoczyna się od wykonania modelu woskowego, przez wtłoczenie ciekłego, stopionego wosku do aluminiowej, lub wykonanej z tworzywa epoksydowego formy. Wykonany w ten sposób model jest dokładną kopią odlewu który ma być wykonany. Wosk może zawierać wypełniacze. Przy wykonywaniu mniejszych odlewów kilka modeli woskowych jest przymocowane do układu wlewowego, wykonanego również z wosku.

Modele woskowe są czyszczone rozpuszczalnikami wodnymi lub organicznymi i pokrywane środkiem zwilżającym, ułatwiającym przyklejenie do wosku zawiesiny ceramicznej. Model z układem wlewowym jest następnie zanurzany w ciekłym szlamie ceramicznym, pokrywany granulowaną krzemionką, cyrkonowym bądź aluminiowo-krzemowym materiałem ogniotrwałym, a następnie suszony przed nałożeniem kolejnej warstwy. Proces nakładania pokrycia jest kontynuowany do momentu uzyskania pokrycia o satysfakcjonującej grubości.

Z wysuszonej formy jest następnie usuwany wosk. Przebiega to przez umieszczenie formy w autoklawie parowym, w którym wosk jest topiony, lub w piecu, w którym wosk może być wypalany.

Po tym zabiegu skorupa jest wypalana w piecu w wysokiej temperaturze. Ten proces usuwa pozostałości wosku i utwardza materiał ceramiczny, w wyniku czego powstaje jednoczęściowa forma skorupowa, do której wlewany jest ciekły metal i wytwarzany odlew.

Rys. 2.38. Proces odlewania precyzyjnego[110, Vito, 2001]

Podczas tego procesu, zanieczyszczenie powietrza może mieć miejsce podczas dwóch operacji: pokrywania modelu oraz usuwania wosku.

Pokrywanie modelu:Ciekła masa ceramiczna zawiera materiał wiążący i bardzo drobny proszkowany materiał ogniotrwały, zredukowany do postaci szlamu w wyniku stałego mieszania. Materiałem wiążącym może być krzemionka koloidalna, zhydrolizowany krzemian etylu lub zhydrolizowany krzemian sodu; wybór technologii jest uwarunkowany względami technologicznymi. W przypadku stosowania krzemianu etylu, proces suszenia przebiega szybciej, co umożliwia większą cykliczność, lecz są emitowane opary alkoholu etylowego; jeżeli przekracza jego wartość dopuszczalną należy je wychwycić i obrobić przed emisją.

Usuwanie wosku i wypalanie:Usuwanie wosku w parowym autoklawie nie ma poważniejszego wpływu na jakość powietrza. Jednak nie jest tak w przypadku gdy usuwanie wosku jest prowadzone w piecu, oraz podczas wypalania skorupy, gdy wypalają się resztki wosku.Wypalanie przebiega często z niedomiarem powietrza, w wyniku czego powstają cząsteczki sadzy. Te cząstki muszą być wychwytywane, niszczone przez dopalanie lub usuwane. Do tego celu bardzo dobrze nadają się filtry ceramiczne, gdyż wytrzymują one wysoka temperaturę gazów odlotowych, lecz ta bardzo nowoczesna technologia nie jest jeszcze rozpowszechniona.

Opisywana technologia jest stosowana na przykład do odlewów precyzyjnych i artystycznych. Zwykle nie jest stosowana w odlewniach dużych (o wydajności powyżej 20 ton/dzień) i dlatego jest wspomniana w niniejszym opracowaniu jedynie dla celów informacyjnych.

Ceramiczny proces skorupowy (nazwa patentowa „Replicast”) rozszerza jakość i precyzję odlewów precyzyjnych do większych elementów, używając kombinacji podstaw procesów Lost Foam i odlewania precyzyjnego. Technologia ta stosuje obojętną, wypalaną formę ceramiczną. W celu wykonania formy z polistyrenu wykonywana jest kopia odlewu, charakteryzująca się dużą dokładnością wymiarową i dobrą jakością powierzchni. Nie są wymagane podziały formy czy też rdzenia, nie stosuje się pochyleń. Kopia wykonana z polistyrenu może być składana z kilku części i klejona. Polistyren jest wypalany przed odlewaniem, dzięki czemu odlewy mogą być wykonywane z szerokiej gamy stopów – od ultra nisko węglowych stali nierdzewnych po stopy niklu. Jest to znaczna różnica w porównaniu do technologii Lost Foam, gdzie ciekły metal pochłania model wykonany z polistyrenu, przez co proces ten nie znajdował zastosowania dla większości gatunków staliwa (92% zawartości polistyrenu stanowi węgiel). [219, Castings Technology International, 2003]