Masy formierskie w odlewnictwie

Odlewu nie da się wykonać bez właściwej formy, do jej wykonania z kolei niezbędne są odpowiednie masy formierskie. Masą formierską nazywamy specjalną mieszankę, która po umieszczeniu w formie i utwardzeniu tworzy dokładnie odwzorowane odlewu. Istnieje wiele rodzajów mas formierskich, a wybór odpowiedniej zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj stopu, technologia odlewania czy wymagana dokładność odlewu. W artykule tym przyjrzymy się bliżej masom formierskim w odlewnictwie, omówimy ich podział i zastosowanie oraz dowiemy się, jakie czynniki wpływają na jakość odlewu.

W przeszłości pisaliśmy dla Państwa między innymi o masach furanowych i bentonitowych stosowanych w odlewnictwie.

Z tego artykułu dowiesz się:

• czym są masy formierskie,
• jakie są rodzaje mas formierskich,
• jak wykonuje się formę odlewniczą,
• jakie najnowsze technologie kierunkują rozwój tej gałęzi odlewnictwa.

Czym są masy formierskie?

Masy formierskie to materiały stosowane w procesie odlewania, które służą do utworzenia formy, w której zostaną wykonane odlewy lub rdzenia odlewniczego. Ich głównym celem jest zapewnienie odpowiedniej jakości i dokładności odlewu, a także ochrona przeciwko wpływowi wysokich temperatur i ciśnienia na odlew. Masą formierską można wypełnić przestrzeń pomiędzy modelem a wewnętrzną powierzchnią formy, co pozwala na otrzymanie pożądanego kształtu i wymiarów odlewu. W odlewnictwie stosuje się różnego rodzaju masy formierskie, w zależności od materiału, z którego wykonany jest odlew oraz od wielkości i skomplikowania detalu. W zależności od zastosowania, masy formierskie mogą mieć więc szeroki zakres właściwości, takich jak twardość, plastyczność, odporność na odkształcenia i wiele innych. 

Mówiąc o ich cechach zwraca się uwagę na parametry takie jak:

• zawartość wilgoci, 
• przepuszczalność, 
• płynność, 
• wytrzymałość (na ściskanie, ścinanie, rozciąganie, zginanie),
• osypliwość i ścieralność,
• gęstość pozorną,
• ogniotrwałość,
• podatność (zdolność masy do niestawiania oporu kurczącemu się odlewowi podczas procesu stygnięcia),
• wybijalność ( łatwość usuwania masy z formy lub rdzenia odlewu po zakrzepnięciu metalu w formie). 

W przypadku odlewnictwa, masa formierska pełni kluczową rolę w procesie formowania, ponieważ jest ona odpowiedzialna za tworzenie dokładnych kształtów, wykończenie powierzchni, a także stabilność formy w czasie odlewu. Dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranych mas formierskich, możliwe jest odlewanie elementów o skomplikowanych kształtach, a także uzyskanie precyzyjnych detali z najwyższą jakością powierzchni.

Z czego składają się masy formierskie?

Do najczęściej stosowanych mas formierskich należą masy syntetyczne, w których skład wchodzi:

• osnowa – która stanowi 80 do 90% masy. Zazwyczaj osnowę stanowi piasek (np. piasek kwarcowy o temperaturze spiekania powyżej 1350 °C, uprzednio oczyszczony z domieszek oraz osuszony do wilgotności na poziomie 1%),
• materiał wiążący – 5–10% masy formierskiej to materiał wiążący (np. bentonit)
• woda – od 2 do 4%,
• dodatki specjalne – 2 – 6%, dotychczas najczęściej wykorzystywano pył węglowy, z którego pod wpływem temperatury wydziela się węgiel pirolityczny, tworzący na ziarnach osnowy warstwę niezwilżalną przez ciekły metal, co pozwala uzyskać mniejsza chropowatość powierzchni oraz zapobiec przypaleniu masy. Obecnie coraz częściej wprowadza się bardziej przyjazne środowisku i wydajne zamienniki dla pyłu węglowego, o czym można przeczytać więcej w tym artykule.

Innym popularnym rodzajem mas formierskich są masy organiczne, które składają się z:

• organicznych polimerów - takich jak żywice fenolowe, żywice epoksydowe, żywice melaminowe i żywice furanowe,
• wypełniaczy - takich jak piasek kwarcowy lub zsyntezowane kruszywo,
• substancje spiekające i utwardzające - zazwyczaj utleniacze, takie jak tlenek żelaza (III) lub tlenek chromu (VI).

Rodzaje mas formierskich

Jak wspomnieliśmy powyżej, materiały, z których wykonuje się masy formierskie, zależne są od specyfiki potrzeb wynikających z ich wykorzystania. I tak też, zależnie od zastosowania i rodzaju, możemy mówić o rozróżnieniu na:

• masy stosowane do odlewania żeliwa, staliwa i metali nieżelaznych,
• masy do form odlewanych „na wilgotno” i „ na sucho”,
• masy przymodelowe i wypełniające oraz jednolite,
• masy organiczne (naturalne/żywiczne) i syntetyczne,
• masy formierskie i rdzeniowe specjalne (cementowe, ceramiczne, itp.).

Jak wykonać formę odlewniczą? Zastosowanie mas formierskich

Należy pamiętać, że proces wykonania formy odlewniczej może różnić się w zależności od rodzaju odlewanej masy, zastosowanej technologii i innych czynników. Możemy jednak zasadniczo opisać proces przygotowywania formy z mas formierskich w kilku prostych krokach.

1. Przygotowanie modelu formy - przygotowanie formy z masy formierskiej należy poprzedzić wykonaniem odpowiedniego modelu, który dokładnie odwzorowuje kształt odlewu i umożliwia proste wyciągnięcie modelu z masy formierskiej, uwzględniając jednocześnie skurcz odlewniczy (musi więc mieć odpowiednio większe parametry). Modele wykonywało się dotychczas najczęściej z metalu i drewna, obecnie nowe technologie pozwalają również na drukowanie precyzyjnych modeli 3D.
2. Zabezpieczenie formy - następnie zabezpiecza się formę przed przywieraniem masy odlewniczej. Można to zrobić poprzez pokrycie formy odpowiednim środkiem zabezpieczającym, np. grafitem.
3. Przygotowanie masy
4. Przesypanie masy przez sito - należy pamiętać, że przed wsypaniem masy do formy należy przesypać ją przez sito, dzięki czemu można rozdrobnić wszelkie grudki i spulchnienia masy, szczególnie jeśli jest to masa, która była wcześniej regenerowana i może zawierać np. szpile odlewnicze, które zostaną wychwycone podczas przesypywania przez sito. 
5. Wypełnienie formy - po przygotowaniu masy formierskiej należy ją wlać do formy, uważając aby nie pozostawić żadnych pustek. Później kolejno trzeba dokładnie ją ubić i usunąć nadmiar masy, a później nakłuć masę w skrzynce szpilką odlewniczą. Ważnie aby nie dostać się do formy (umożliwia lepsze odprowadzenie gazów, które powstają podczas procesu odlewania).
6. Oczekiwanie na utwardzenie - masa formierska musi utwardzić się, co zwykle zajmuje kilka godzin.
7. Gotowość do odlewania - po usunięciu formy odlew jest gotowy do odlewu metalu.

Regeneracja mas formierskich

Regeneracja mas formierskich polega na przywróceniu ich właściwości użytkowych po użyciu. W trakcie procesu odlewniczego masa formierska ulega rozgrzaniu, a następnie ochłodzeniu, co powoduje jej degradację. Ponadto, w trakcie odlewu w masie formierskiej pozostają zanieczyszczenia, takie jak drobiny metali i ich odlewów, spaliny i półprodukty procesu odlewniczego, które wpływają negatywnie na jej jakość. Aby przywrócić masie formierskiej jej właściwości, stosuje się proces regeneracji. Polega on na odzyskaniu właściwego surowca ze zużytej masy formierskiej, a następnie jego przetworzeniu i dodaniu do nowo wyprodukowanej masy. W ten sposób, z zużytej masy formierskiej powstaje nowa masa o podobnych właściwościach i jakości. Dzięki temu można ponowne wykorzystać ją w procesie odlewniczym. W przypadku niektórych mas formierskich (np. bentonitowych) możliwy jest recykling nawet 90% masy formierskiej. 

Kiedy mowa o organicznych masach formierskich, regeneracja polega na dodaniu nowych substancji wiążących oraz utwardzaczy. Dzięki temu masa odzyskuje swoją konsystencję i właściwości. Z kolei w przypadku mas nieorganicznych, np. z gliny, regeneracja polega na wymieszaniu zużytej masy z nową. Taki zabieg pozwala na odzyskanie właściwości.

Proces regeneracji ma pozytywny wpływ nie tylko ze względu na koszt produkcji i zmniejszenie kosztu utylizacji, ale także na zmniejszenie ilości odpadów, a więc na środowisko.

Masy formierskie a najnowsze technologie

W dzisiejszych czasach, ze względu na zmieniające się klimatyczne i środowiskowe wymagania, coraz większy nacisk kładzie się na poszukiwanie proekologicznych rozwiązań w różnych branżach, w tym również w odlewnictwie. W ostatnim czasie pojawiło się wiele innowacyjnych i zrównoważonych pomysłów w dziedzinie odlewnictwa.

Jednym z takich pomysłów jest wykorzystanie nowych materiałów do produkcji mas formierskich. Obecnie na rynku dostępne są już masy formierskie wykonane z naturalnych materiałów, takich jak skrobia kukurydziana, glina, czy mąka ryżowa. Są one bardziej przyjazne dla środowiska i mogą być poddane recyklingowi, co ogranicza ilość odpadów generowanych w procesie odlewniczym.

Poszukuje się też rozwiązań ulepszających obecnie stosowane, wydajne masy formierskie, które po zamianie pyłu węglowego okazują się być wysoce ekologiczne. O jednym z takich odkryć, opracowanych przez zespół z AGH w Krakowie, pisaliśmy w artykule o masach bentonitowych w odlewnictwie.

Innym ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie druku 3D do produkcji form odlewniczych. Technologia ta pozwala na szybsze i bardziej precyzyjne wytwarzanie form. To z kolei zwiększa wydajność procesu odlewniczego i zmniejsza ilość odpadów. Druk 3D pozwala również na wykorzystanie odnawialnych surowców do produkcji form, co przyczynia się do ochrony środowiska.

Masz pytania? Skontaktuj się z nami i nie zapomnij sprawdzić naszej oferty.