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Vorrichtung zur Ermittlung des Betriebsverhaltens von Giessereiformstoffen
Von dem Betriebsverhalten eines Formstoffes, d. h. von der Summe seiner Eigenschaften unter dem Einfluss des Giessvorganges wird die Qualität der Gussstücke massgeblich beeinflusst. In dem Formstoff treten unter dem Einfluss der Giesshitze starke, ungleichmässige Eigenschaftsänderungen und ein beträchtliches Temperaturgefälle von der Oberfläche in das Innere der Form hinein auf. Das Aufheizen der Formoberfläche lässt Wasser und/oder andere flüchtige Bestandteile verdampfen und den porösen Formstoff durchstreichen bis es in kälteren Bereichen der Form niedergeschlagen wird. Die Überfeuchtung des Sandes erreicht in dieser Kondensationsschicht ein Ausmass, dass seine Haftfähigkeit und damit sein Betriebsverhalten davon massgeblich beeinflusst werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Giessereisand unter betriebsnahen Bedingungen zu prüfen. Ein Mass für das Betriebsverhalten eines Formsandes wird dadurch erhalten, dass z. B. an einem zylindrischen Versuchskörper, in dessen Innerem durch Erhitzen einer Stirnfläche ein Temperaturgefälle und eine Schicht von überfeuchtem Sand erzeugt wird, die Zugfestigkeit gemessen wird. Sie ist nachfolgend als"Nasszug- festigkeit'*oder**Nassfestigkeit"bezeichnet und in g/cml angegeben. Ebenso wie die Zugfestigkeit können auch andere Sandeigenschaften z. B. Druck- oder Scherfestigkeit bestimmt werden.
Unter dem Einfluss der Giesshitze bildet sich in der Sandoberfläche ein Temperaturgradient aus, der zu einer inhomogenen Feuchtigkeitsverteilung führt. Unter der Sandoberfläche entsteht eine überfeuchte Zone mit stark verminderter Festigkeit. In diesem Bereich kann die Festigkeit quantitativ gemessen werden. Der als"Nassfestigkeit"bezeichnete Prüfwert steht in engem Zusammenhang mit Fehlererscheinungen an Gussstücken, welche durch die Sandausdehnung zustandekommen können. Hohe Nassfestigkeit bedeutet geringe Anfälligkeit gegen Sandausdehnungsfehler. Darüber hinaus ermöglicht es das Prüfverfahren, den Aktivierungsgrad von Bentoniten quantitativ zu bestimmen.
Es zeigte sich, dass auch nichtbentonitische Tone aktivierbar sind, was durch die zum Teil beträchtlichen Steigerungen des Nassfestigkeit und damit des Widerstandes gegen Sandausdehnungsfehler zum Ausdruck kommt. Die Auswertung dieser Ergebnisse gestattet, auch nichtquellfähige Tone einzusetzen und halb-oder vollsynthetische Formsande hoher thermischer Stabilität und geringer Anfälligkeit gegen Sandausdehnungsfehler aufzubauen.
Die Erfindung besteht in einer zur Ausführung dieses Verfahrens besonders vorteilhaften Vorrichtung, die es gestattet, betriebsnahe Bedingungen, wie sie in dem Formsand unter Einwirkung der Giesshitze entstehen, in einem Prüfkörper einzustellen und ihn unter diesen Bedingungen zu prüfen.
Dies wird gemäss der Erfindung durch ein zur Aufnahme des Prüflings dienendes Rohr mit aufsetzbarem Deckel erreicht, der an seiner Innenfläche eine zur Verbindung mit dem Prüfling geeignete Gestaltung, etwa in Form einer Nutung, Hinterschneidung o. dgl., aufweist, u. zw. in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erhitzung des Deckels und einer Einrichtung, um den Deckel mit messbarer Zugkraft abzuziehen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann diese Vorrichtung so gestaltet werden, dass alle Gewähr dafür besteht, dass der Prüfling dort behinderungsfrei reisst, wo sich das Kondensat gebildet hat. Dies kann durch einen Kolben erreicht werden, der die dem Deckel gegenüberliegende Stirnwand des Rohres bildet, und mittels dessen der Prüfkörper nach dem Erhitzen und vor dem Zerreissen zwecks Freilegung einer Zone seiner Mantelfläche aus dem Rohr an der Deckelseite teilweise ausgeschoben wird.
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Was die Gestaltung des Deckels betrifft, so soll mit ihr erreicht werden, während des Zerreissvorganges die ausgetrocknete Stirnzone des Sandkörpers mit der Innenfläche des Deckels fest verbunden zu halten. Für diesen Zweck kann in der bevorzugten Ausführung der Erfindung der Deckel eine kegelförmig hinterschnittene Innenfläche erhalten. Gute Haftung des Prüflings am Deckel kann aber auch durch an der Innenfläche des Deckels ausgebildete, hinterschnittene Nuten erhalten werden, die am besten konzentrisch angeordnet sind.
Stets empfiehlt es sich, die Deckelplatte planparallel zu gestalten, um gleichförmige Erhitzung zu gewährleisten.
Damit das Kondensat nicht vor dem Zerreissvorgang aus dem Prüfkörper entweicht, empfiehlt es sich, den Deckel auf das Rohr möglichst dicht schliessend aufzusetzen.
Ein Beispiel für eine Aktivierungskurve und für eine Vorrichtung nach der Erfindung ist durch die Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen : Fig. 1 das Schaubild einer Aktivierungskurve, Fig. 2 einen Schnitt durch eine schematisch dargestellte Prüfeinrichtung, die in Zerreissstellung mit vollen und während der Erwärmung mit strichpunktierten Linien dargestellt ist und Fig. 3 zwei verschiedene Ausführungen des Deckels im Querschnitt.
Auf einer mit einer Führungsleiste 1 versehenen Bodenplatte 2 ist eine Unterlage 3 für ein Prüfrohr 4 verschiebbar angeordnet. Die Unterlage besteht aus einem Hohlzylinder mit zu seiner Achse senkrecht stehenden Stirnwänden 5 und 6, einem in dem Zylinder axial verschiebbaren Kolben 7, der unter der Federwirkung einer sich gegen die Stirnwand 5 abstützenden Schraubenfeder 8 mit einem Abstandbolzen 7a an der Stirnwand 6 anliegt. Ein an dem Kolben 7 axial angeordneter Stempel 9 ragt durch ein Loch der Wand hindurch. An dem Zylinder ist ferner zwischen dem Kolben und der Wand 5 eine zum Anschluss einer nicht gezeichneten Absaugvorrichtung geeignete Rohrleitung 10 angebracht.
Über dem Stempel 9 ruht auf der Unterlage ein Kolben 11, über den das Prüfrohr 4 mit eingestampftem Sandkörper 12 und aufsitzendem Deckel 13 gestülpt ist. Durch entsprechende Bohrungen in dem Prüfrohr 4 und dem Stempel 9 und achsparallel verlaufende Schlitze in dem Kolben 11 ist ein Bolzen 14 hindurchgesteckt. Dadurch ist das Rohr 4 gegenüber dem Stempel 9 in seiner Lage festgelegt, kann aber zusammen mit dem Stempel eine kleine Bewegung gegenüber dem auf der Unterlage 3 ruhenden Kolben 11 ausführen. Zum Erwärmen des Deckels 13 dient ein Gasgebläse 15, das mit einer Vorrichtung 16 zum Zerreissen des Prüfkörpers und Anzeigen der Zugkraft fest verbunden ist.
Die Zerreissvorrichtung besteht aus einem Hohlzylinder 17 mit verschiebbarem Kolben 18, der ein durch den Boden des Zylinders hindurchragendes Gestänge mit selbstjustierender Klaue 19 trägt, die an einem auf dem Deckel 13 angeordneten Knopf angreift. Der bei dem Zerreissvorgang ausgeführte Kolbenhub ist durch einen auf der dem Gestänge entgegengesetzten Kolbenseite angeordneten Abstandsbolzen 18a begrenzt. Auf dieser Kolbenseite münden Rohrleitungen 20 und 21 in den Zylinderraum, von denen die Leitung 20, in der ein Ventil 22 angeordnet ist, zu der vorerwähnten Absaugvorrichtung führt. Die Leitung 21 führt zu einem Vakuummeter 23, das in Einheiten der Zugfestigkeit geeicht ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Form A hat der Deckel 13 einen Rand 24 mit dem er auf die Stirnkante 25 des Prüfrohres 4 aufgesetzt wird. Die innere Mantelfläche 26 des Randes 24 ist konisch hinterschnitten. Die Höhe h des Randes soll kleiner sein als die sich einstellende Dicke der ausgetrockneten Stirnzone. Es haben sich Höhen h von 3 bis 5 mm und Kegelwinkel von 65 bis 750 bewährt. Bei der Dekkelform B sind an der inneren Bodenfläche 27 konzentrische Ringnuten 28 ausgebildet, deren Querschnitt die Form hinterschnittener Sägezähne hat. Die Zahnhöhe h beträgt etwa 2-4 mm. Als Deckelmaterial ist z. B. ein unter der Bezeichnung"Thermax 11 A" bekannter hitzebeständiger Stahl geeignet.
Als Beispiel einer Formsandprüfung sei die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung erläutert : - Nach dem Aufsetzen des Deckels 13 auf das Prüfrohr 4 wird das Rohr mit einer ausreichenden Menge an eingebundenem Sand gefüllt, so dass nach dem Verdichten mit drei Schlägen auf einem Rammapparat bekannter Ausführung ein den Normvorschriften entsprechender Prüfkörper entsteht. Das Rohr 4 wird sodann zusammen mit dem darin befindlichen Prüfkörper 12 und dem auf dem Rohr aufsitzenden Deckel 13 über den auf der Unterlage 3 ruhenden Kolben 11 gestülpt und unter das Gasgebläse 15 gebracht. Darauf wird der Bolzen 14 durch die in dem Rohr 4, dem Stempel 9 und dem Kolben 11 vorhandenen Ausnehmungen hindurchgesteckt.
Nach dem Anzünden des Gasbrenners 15, zeigt ein auf dem Deckel aufgetragener Strich mit einem auf eine Temperatur von 3000C ansprechenden Thermocolor-Stift nach etwa 30 sec durch sei- nen Farbumschlag das Erreichen dieser Temperatur an. Unmittelbar nach dem Abstellen des Gasbrenners 15 wird der Prüfkörper in die Zerreissstellung überführt, wobei der Knopf auf der Aussenseite des Deckels 13 in die Klaue 19 der Zugvorrichtung 16 einrastet. Nach Erreichen der Zerreissstellung öffnet sich in der
Saugleitung 10 ein nicht dargestelltes Ventil, wodurch der Stempel 9 angesaugt wird und dabei das
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Prüfrohr 4 mittels des Bolzens 14 bis zum Aufsitzen auf der Unterlage 3 herunterzieht, während der Prüfkörper 12 in seiner Lage verharrt.
Die Höhe der freigelegten Zone soll in der Grössenanordnung von 5 mm liegen. Unverzüglich nach dem Freilegen der Kondensatschicht 29 wird das in der Leitung 20 befindliche Ventil 22 geöffnet und der Unterdruck im Zylinder 17 stetig verstärkt, bis die Kraft des Kolbens 18 ausreicht, den Prüfkörper zu zerreissen. Die Haftung zwischen dem Sandkörper und dem Prüfrohr ist im allgemeinen hoch genug, um den noch in dem Prüfrohr sich befindenden Teil des Sandkörpers festzuhalten. Bei Sanden hoher Nassfestigkeit kann das Herausgleiten des Prüfkörpers durch ein leichtes Aufrauhen der Innenseite des Rohres, oder durch Einarbeiten einer geringen Konizität verhindert werden. An der Anzeigevorrichtung des Vakuummeters 23 wird die Zerreissfestigkeit des Prüfkörpers abgelesen.
Da mit der Vorrichtung nach der Erfindung sehr kleine Kräfte mit grosser Genauigkeit angezeigt werden sollen, ist es zweckmässig, die zur Ausführung einer Messung erforderlichen Arbeitsgänge möglichst automatisch zu steuern, um Fehlerquellen durch menschliche Einwirkung und Wartezeiten weitgehend auszuschliessen.
Das Verfahren der Prüfung auf Nassfestigkeit sei an nachfolgendem Beispiel erläutert,
Aus einer formgerechten Sandmischung, die sechs Gewichtsanteile Bentonit auf 100 Gewichtsanteile
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drischer Versuchskörper hergestellt und eine Stirnfläche in etwa 30 sec auf ungefähr 3000C erhitzt, d. h. auf eine unterhalb der 8-ci= Umwandlung (575oC) liegende Temperatur. Danach wird der Körper sofort mittels einer geeigneten Vorrichtung zerrissen.
Die Nasszugfestigkeit der vorbeschriebenen Formsandmischung wurde unter Verwendung von KalziumBentonit zu 8 g/cm ermittelt. NachÜberführung des Kalziumbentonits in einen gleichwertigen Natriumbentonit durch Zusatz von 4 g Natriumkarbonat auf 100 g Ton erreichte die Nassfestigkeit einen Wert von 30 g/crn. Es zeigte sich, dass es möglich ist, eine derartige Aktivierung des Sandes während seiner Aufbereitung vorzunehmen.
Ferner wurde durch Versuche ermittelt, dass die Nassfestigkeit sowohl von der Art wie von der Menge des zugegebenen Aktivierungsmittels abhängig ist. Dabei zeigte sich überraschenderweise, dass bei stetig steigendem Zusatz an Aktivierungsmittel (FN) die Nassfestigkeit (N) einer Formsandmischung in Form einer Kurve, die als Aktivierungskurve bezeichnet wird, mit einem ausgeprägten Höchstwert nach Fig. l verläuft und das Betriebsverhalten eines Formsandes sich in dem Masse steigert, wie seine Nassfestigkeit sich dem Höchstwert der Kurve nähert.
Liegt der Wert der Nassfestigkeit dabei auf dem aufsteigenden Teil der Kurve, so wird der Zustand des Formstoffes als "unteraktiviert" bezeichnet, während ein auf dem ab-
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Sand ketnzeichnet.in Gebrauch befindlichen Formstoffe zahlenmässig zu ermitteln und deren optimales Verhalten zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Aktivierungswirkung verschiedener Aktivierungsmit- tel. sowie die Aktivierungsbereitschaft von Bindetonen und deren Güte zu bestimmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Ermittlung des Betriebsverhaltens von feucht eingebundenen Giesserei-Formstoffen durch Messen der Zugfestigkeit eines daraus bestehenden, z. B. zylindrischen Prüfkörpers, gekennzeichnet durch ein zur Aufnahme des Prüfkörpers (12) dienendes Rohr (4) mit aufsetzbarem Deckel (13), der an seiner Innenfläche eine zur Verbindung mit dem Prüfkörper geeignete Gestaltung (Nutung 28, Hinterschneidung 26 od. dgl.) aufweist, in Verbindung mit einer Einrichtung (15) zur Erhitzung des Deckels (12) und einer Einrichtung (16), um den Deckel mit messbarer Zugkraft abzuziehen.