Benetzung: Was ist das und warum ist es so ein Problem?
Der moderne Gießereihersteller ist an der Herstellung des besten Qualitätsprodukts ohne Kompromisse interessiert - die Benetzung kann eine Ursache für einige Probleme im Metallgussprozess sein.
Einleitung
Benetzung ist das Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit in der Lage ist, Kontakt mit einer festen Oberfläche aufrechtzuerhalten, was durch intermolekulare Wechselwirkungen hervorgerufen wird. In der modernen Gießerei besteht das Hauptproblem durch die Benetzung in den Auswirkungen auf die Oberflächenbeschaffenheit eines gegossenen Materials. Das Ergebnis ist selten schädlich für das gegossene Material, aber es bedeutet fast immer, dass zusätzliche Arbeit (und damit Zeit und Geld) erforderlich ist, um die Oberflächenfehler zu entfernen, in der Regel durch manuelle Bearbeitung. Natürlich sind Gießereibesitzer und -betreiber bestrebt, die Wahrscheinlichkeit von Benetzungen zu verringern und so die Wahrscheinlichkeit einer Nachgussverarbeitung zu minimieren. Oberflächendefekte treten typischerweise in Form von "Graten" auf, d. h. wenn etwas geschmolzenes Metall mit dem Sand in Berührung gekommen ist und unregelmäßig abgekühlt ist. Sand kann auch das Metall durchdringen. (1,2,3)
Wenn eine Flüssigkeit vorhanden ist, siedet sie bei Gießereitemperaturen und entwickelt Gas. Dies schafft Raum für die Interaktion von geschmolzenem Metall und Sand, im Falle von sandbasierten Metallgussteilen. Eine Oberflächenwechselwirkung kann als "stark benetzend" beschrieben werden, wenn eine gute Fest-Flüssig-Wechselwirkung vorliegt. "Schlechte Benetzung" bezieht sich auf eine schwache Fest-Flüssig-Wechselwirkung.
Zusatzstoffe können hinzugefügt werden, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Benetzung zu verringern und eine angemessene und angemessene Feuchtigkeitskontrolle zu gewährleisten. Oberflächendefekte treten viel häufiger auf, wenn es starke Benetzungswechselwirkungen gibt (eine detaillierte Diskussion der Oberflächenchemie würde den Rahmen dieses Artikels sprengen), die hauptsächlich aus Van der Waals intermolekularen Kräften und Wasserstoffbrückenbindungen entstehen.
Strategien zur Negierung oder Vermeidung von Benetzung
Vorbeugen ist besser als heilen. In praktisch allen Fällen werden Gießer Material in ihre Gussformen einarbeiten, um die Auswirkungen der Benetzung zu negieren oder besser noch ganz zu verhindern. Diese Zusatzstoffe sind oft organische Materialien, wobei verschiedene stärkehaltige Pflanzenreste, Öle und schädliche organische Chemikalien im Laufe der Jahre breite Anwendungen fanden - alles Beispiele für kohlenstoffhaltige Materialien. Praktisch jedes kohlenstoffreiche Material kann verwendet werden, vorausgesetzt, es wird gut durch das vernünftige integriert. Einer der herausragenden Zusatzstoffe zur Vermeidung von Benetzung ist
jedoch Kohlenstaub/Anthrazit
. Da es relativ günstig, leicht zu verarbeiten und vollständig brennbar ist, ist es eine attraktive Option für eine Vielzahl von Gussarten.
Einfach ausgedrückt, führt die Erhöhung der Menge an kohlenstoffhaltigem Material in einer Sandform zu mehr Pyrolyse dieses Materials. Pyrolyse ist eine unvollständige Verbrennung, d.h. eine Verbrennung unter Ausschluss von Sauerstoff. Für organische Materialien bedeutet dies die Produktion von Kohlenstoff (der dazu neigt, sich sowohl auf dem Metall als auch auf dem Sand als Schicht abzulagern) und Wasserstoff (der als gasförmige Barriere gegen das Eindringen von Metall und/oder Sand wirkt und andere Auswirkungen auf die Oxidbildung hat, siehe später). Verbindungen, die sich gut als kohlenstoffhaltiges Material eignen, sind solche, die eine hohe Verkokungskapazität, einen relativ geringen Anteil an flüchtigen organischen Stoffen (nicht mehr als 30 Gew.-%, einen niedrigen Aschegehalt und einen sehr niedrigen Schwefelgehalt (nicht mehr als 0,8 Gew.-%) aufweisen. Die Mahlgröße des kohlenstoffhaltigen Additivs muss für die vollständige Einarbeitung durch die Sandform geeignet sein, wobei frühe Berichte eine Partikelgröße von nicht mehr als 0,3 mm nahelegen(4).
Da die Benetzung die Bildung kleiner Kanäle im Sand verursacht, kann geschmolzenes Metall in den Sand eindringen, und dies ist der Ursprung vieler Oberflächendefekte, wie z.B. beim "Aufbrennen" und "Einbrennen" durch Oberflächenveränderungen an der Gießgrenzfläche, was zu unebenen gegossenen Oberflächen führt. Effekte, die so einfach sind wie geschmolzenes Metall, das am Sand haftet, sind häufige Anzeichen dafür, dass eine Benetzung aufgetreten ist. Silizium und Phosphor im Sand können sich mit Eisen und Mangan in der Metallschmelze austauschen, was zu einer grundlegenden Material- und chemischen Veränderung führen kann - völlig vermeidbar, wenn eine Benetzung durch Zugabe eines sorgfältig ausgewählten kohlenstoffhaltigen Materials verhindert wird(5).
Grundsätzlich ist die Benetzung ein häufiges Problem im Metallguss, aber auch ein vermeidbares. Es kann so einfach sein, eine kleine Menge eines Materials wie
Kohlenstaub (Anthrazit)
in den Sand einzuarbeiten, der sauber pyrolysiert und die Benetzung und die damit verbundenen Oberflächendefektphänomene verhindert, wodurch eine Nachgussbehandlung von Hand vermieden wird(6).
Kohlenstaub
Kohlenstaub ist pulverisierter Anthrazit. Es ist ein hochwertiges Kohleprodukt, das nach einer feinen Spezifikation gemahlen wurde, arm an flüchtigen organischen Verbindungen, wenig Asche und wenig Schwefel - in Mengen, die konstant unter den oben genannten liegen. Anthrazit ist die hochwertigste Kohle, sie ist nicht bituminös wie Braunkohle und enthält den höchsten Anteil an reinem Kohlenstoff, was bedeutet, dass bei der Verbrennung oder Pyrolyse weniger gefährliche Schadstoffe emittiert werden als bei Steinkohle niedrigerer Qualität(7,8).
Es ist vielleicht völlig logisch, dass Kohlenstaub klassische kohlenstoffhaltige Materialien wie bituminöse Kohle ersetzt, da die gleiche Leistung erwartet wird. Es übertrifft es. Aufgrund der Entwicklung toxischer Gase wie Benzol, Toluol und Xylol aus Kohlen schlechter Qualität(9) erwiesen sich die lokalen atmosphärischen Bedingungen um Gießereien in den 1940er Jahren als schlecht. Hochwertigere Kohlen wie Anthrazit reduzieren diese Gasentwicklung dramatisch. Es wurde berichtet, dass Anthrazit mehr von dem schützenden Dünnschichtkohlenstoff pro Masseneinheit produziert als andere Arten von Kohle - zu erwarten, da es weniger Verunreinigungen gibt, also mehr Kohlenstoff.
Trotz der höheren Qualität bleibt Anthrazit ein preiswertes Material und findet breite Verwendung in einer Vielzahl von Einstellungen. Sein sauberes Pyrolyseprofil macht es zur idealen Wahl (und stark von der Industrie bevorzugt) für grüne Sandgussteile, wo es für weniger benetzungsbedingte Einfälle verantwortlich ist.
Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass sich getrockneter, kleiner Korngröße und damit frei fließender Kohlenstaub leicht vermischen und gleichmäßig im Sand verteilen. Harzigere oder bituminösere Kohlenstoffquellen wie Braunkohle verteilen sich aufgrund ihrer "klebrigen" Natur nicht so gleichmäßig, was zu Verklumpungen führt, wodurch das Risiko besteht, dass Bereiche im Sand in der Nähe der geschmolzenen Metallschnittstelle ohne Kohlenstoffmaterial vorhanden sind - was keinen Schutz bietet und die Tür für Benetzungsphänomene und die nachfolgenden Oberflächenfehler öffnet, die es verursachen wird.
Verhindern von Gießereiverbrennung
In hohem Maße mit der Benetzung verbunden ist die Gießereiverbrennung, die sich in ähnlicher Weise manifestiert und eine nahezu identische Nachgussverarbeitung erfordert, um die Effekte zu beseitigen. Gießereibrand ist in der Eisen- und Stahlproduktion ziemlich häufig - er tritt auf, wenn sich Eisensilikate auf der Oberfläche des zu gießenden Metalls bilden, wenn Siliziumdioxid (aus der Sandform) und Eisenoxid (aus dem Eisen) reagieren. Dies führt dazu, dass Sandkörner verschmelzen und sich auf der gegossenen Oberfläche ablagern, schwer zu entfernen sind und eine Bearbeitung erfordern, ähnlich wie Benetzung(10). So wollen Gießer die Bildung von Eisenoxid in erster Linie verhindern. Genau wie bei der Benetzungsvermeidung erzeugt die Pyrolyse von Anthrazit/Kohlenstaub eine hochwirksame reduzierende Atmosphäre, die die Oxidation von Eisen vollständig hemmt und somit die Bildung von Eisenoxid verhindert(11). Dieses Prinzip kann auch in Grünsandgussteilen angewendet werden, wo das Chromitfeuerfest oft geringe bis mäßige Mengen an Kieselsäure enthält. Auch hier führt die bei der Pyrolyse entstehende Wasserstoffgasproduktion zur reduzierenden Atmosphäre und verhindert so die Oxidbildung(12). Ein weiterer Schutz gegen Abbrand ist gegeben, da sich durch den Pyrolyseprozess ein dünner Film aus reinem Kohlenstoff an der Metalloberfläche ablagert, der das Eindringen von Metall in den Sand verhindert. Das Gegenteil gilt auch; Sand kann das Metall nicht durchdringen. Im Großen und Ganzen kann dies als ein nicht benetzendes Verhalten betrachtet werden.
Sicherheit
Wie bereits erwähnt, ist Anthrazit ungiftig. Der Druckaufbau ist das einzige Problem, da die Pyrolyse des Kohlenstaubs zu einem Gasausstoß führt(13), wobei ein Grünsandgemisch, das nur 5% Kohlenstaub enthält, zu Drücken führen kann, die doppelt so hoch sind wie bei reinem Grünsand. Ein gewisses Eindringen des Metalls durch den entwickelten Wasserstoff ist zu erwarten(14), aber dies wird durch die gebildete dünne Kohlenstoffschicht etwas negiert (siehe oben). Insgesamt liegen der Druckaufbau und die Wasserstoffentwicklung innerhalb der Toleranzen und der Konstruktionsfähigkeit moderner sandbasierter Gießanlagen.
Beratung von Manganoxid
- Benetzung ist ein Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit - normalerweise Wasser - in der Lage ist, Kontakt mit einem Feststoff aufrechtzuerhalten.
- Bei Gießereiarbeiten und Gussarbeiten führt die Benetzung direkt zur Bildung von Oberflächenfehlern, die später manuell entfernt werden müssen, was Kosten und Zeit verursacht.
- Die Vermeidung von Benetzung erfolgt in der Regel durch Zugabe eines organischen Materials in die Gussform
- Kohlenstaub (Anthrazit) ist aufgrund seiner hervorragenden Leistung, einfachen Handhabung und ungiftigen Natur die erste Wahl für die Benetzungsvermeidung - und das bei gleichzeitig sehr kostengünstiger
- Die unvollständige Verbrennung des Kohlenstaubes (Pyrolyse) erzeugt eine reduzierende Umgebung, die bestimmte Arten von Oberflächenfehlern verhindert, während gleichzeitig dünne Kohlenstoffschichten gebildet werden, die andere Defekttypen verhindern.
- Anthrazit ist ungiftig und führt nicht zur Entwicklung toxischer Gase
- Gießereibrand ist ein verwandtes Phänomen und kann auch durch den Einsatz von Kohlenstaub weitgehend verhindert werden.
Verweise
1 A. Josan und C. P. Bretotean, Mit speziellen Ergänzungen zur Herstellung des Formgemischs für Gussstahlteile des Antriebsradtyps, in: Internationale Fachhochschulkonferenz 2014 (ICAS2014), Hunedoara, Rumänien, 2014
2 B. E. Brooks und C. Beckermann, Produktion von Burn-on und Mold Penetration in Steel Casting using Simulation, in: 60th SFSA Technical and Operating Conference, Chicago, 2006
3 Analysis of Casting Defects Committee, Analysis of Casting Defects , American Foundrymen's Society, Des Plaines, Vereinigte Staaten
4 US-Patent US3666706A, 1969
5 M. Holtzer et al., Microstructure and Properties of Ductile Iron and Compacted Graphite Iron Castings, Springer, Cambridge, 2015
6 B. Drevet (Hrsg .) Benetzbarkeit bei hohen Temperaturen; Pergamon Materials Series Volume 3, Elsevier, Amsterdam, 1999
7 G. Thiel und S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471
8 J. Wang und F. S. Cannon, Study of pyrolysis of carbonaceous additives in green sand foundries, in Seattle : The International Carbon Conference, Seattle, 2007
9 G. F. Keatinge und N. M. Potter, Br. J. Ind. Med.Transportjahr 1945, 2, 125
10 A. Petro et al., Bin. Gießerei Soc. Trans.Transportjahr 1980, 88, 683
11 H. W. Duetert et al., Bin. Gießerei Soc. Trans.Transportjahr 1970, 78, 145
12 D. T. Peterson et al., Bin. Gießerei Soc. Trans.Transportjahr 1980, 88, 503
13 J. Mocek und J. Samsonowicz, Arch. Gefunden. Eng., 2011, 11, 87
14 A. Campbell, Complete Casting Handbook (2nd ed.), Butterworth Heinemann, London, 2015
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