Piasek kwarcowy jest tani i dostępny, dlatego w odlewnictwie zostaje podstawową osnową masy formierskiej w większości zakładów. Problem zaczyna się tam, gdzie metal jest gorący, odlew masywny albo rdzeń cienki i złożony. Wtedy odlewnia sięga po piaski specjalne: chromitowy, cyrkonowy albo ceramiczny. Każdy rozwiązuje ten sam problem trochę inaczej i każdy ma inny koszt.
Dlaczego piasek kwarcowy zawodzi
Kwarc przy nagrzewaniu gwałtownie zwiększa objętość. Masa pęka, a w szczeliny wchodzi ciekły metal. Na odlewie widać to jako żyłki (veining) i strupy. Druga słabość to ogniotrwałość: przy ciężkich odlewach staliwnych i żeliwnych kwarc nie wytrzymuje długiego kontaktu z metalem i pojawiają się przypalenia. Trzecia to chemia. Tlenki manganu i żelaza reagują z krzemionką, tworząc krzemiany o niskiej temperaturze topnienia, więc stopy z manganem penetrują masę mocniej.
Wszystkie trzy problemy mają jedno źródło: właściwości samej osnowy. Dodatek przeciwżyłkowy albo pokrycie formierskie łagodzą skutki. Zmiana osnowy usuwa przyczynę.
Piasek chromitowy
Piasek chromitowy to rudna osnowa na bazie chromitu. Jego najważniejsza właściwość to duża przewodność cieplna, dzięki której odbiera ciepło z metalu szybciej niż kwarc. Odlewnie wykorzystują to w miejscach, gdzie potrzebne jest lokalne przyspieszenie krzepnięcia: w węzłach cieplnych i przy grubych ściankach. Dobrze znosi też kontakt ze staliwem manganowym, przy którym kwarc przegrywa.
Ograniczenie jest chemiczne. Chromit jest zasadowy, a masa furanowa utwardzana jest katalizatorem kwasowym. Zbyt duży udział chromitu albo jego zanieczyszczenia potrafią zaburzyć utwardzanie masy furanowej. Dlatego piasek chromitowy stosuje się zwykle jako piasek przymodelowy albo w mieszance, nie jako całą osnowę formy.
Piasek cyrkonowy
Piasek cyrkonowy ma bardzo małą rozszerzalność cieplną i wysoką ogniotrwałość, więc forma pozostaje stabilna wymiarowo. Daje dobrą jakość powierzchni odlewu i dobrze znosi wysokie temperatury zalewania, dlatego pojawia się w odlewnictwie precyzyjnym i przy odlewach staliwnych o wysokich wymaganiach. Jego główną wadą jest cena i duża gęstość, przez co forma jest cięższa, a piasku potrzeba więcej na tę samą objętość.
Piasek ceramiczny
Piasek ceramiczny jest syntetyczny. Nie wydobywa się go, tylko produkuje w kontrolowanym procesie. Przykładem jest CERAMSAND od Euskatfundu: kalcynowany boksyt topi się w piecu łukowym, a strumień ciekłego surowca rozbija się sprężonym powietrzem na kuliste ziarna o gładkiej powierzchni.
Według danych producenta CERAMSAND ma:
- rozszerzalność cieplną zbliżoną do piasku cyrkonowego (6×10⁻⁶/°C w zakresie 20–1000°C),
- ogniotrwałość co najmniej 1800°C,
- odczyn obojętny (pH 7–8), więc pracuje z układami kwaśnymi i zasadowymi,
- kuliste ziarno o kanciastości do 1,1.
Kształt ziarna przekłada się na zużycie spoiwa. Kule układają się ciasno i potrzebują mniej żywicy do związania. Producent podaje o 30–50% mniej spoiwa niż przy piasku kwarcowym, a w teście na żywicy furanowej wytrzymałość na rozciąganie po 24 godzinach wyszła o ponad 50% wyższa przy tej samej ilości żywicy. Ziarno słabo się kruszy, więc piasek dobrze znosi regenerację.
W praktyce CERAMSAND stosuje się w procesie furanowym NO-BAKE, w rdzeniach Cold-Box i w procesie Croninga, w masach alkaliczno-fenolowych przy staliwie, w masach ze szkłem wodnym oraz jako piasek zasypowy w Lost Foam. Można go też mieszać z chromitem.
Jak porównać te trzy piaski
Porównanie samej ceny za tonę prowadzi na manowce. Liczy się koszt tony dobrego odlewu. Na ten koszt składają się:
- Zużycie spoiwa. Kuliste ziarno ceramiczne wiąże się mniejszą ilością żywicy niż ostre ziarno kwarcowe.
- Stopień regeneracji. Piasek, który po wybiciu wraca do obiegu, kupuje się raz. Piasek, który się kruszy, trzeba ciągle dosypywać, a to podnosi koszt produkcji.
- Czas czyszczenia odlewu. Każde przypalenie i każda żyłka to godziny szlifowania.
- Braki. Jeden odrzucony odlew masywny kosztuje więcej niż różnica w cenie osnowy na całą formę.
Dlatego odlewnie często nie zmieniają całej osnowy, tylko stosują piasek specjalny tam, gdzie kwarc zawodzi: jako warstwę przymodelową, w rdzeniach najbardziej obciążonych cieplnie albo w miejscach skrzyżowań ścian.
Który piasek wybrać
Nie ma jednej odpowiedzi. Piasek chromitowy sprawdza się tam, gdzie liczy się szybkie odprowadzenie ciepła, ale wymaga uwagi przy masach furanowych. Piasek cyrkonowy daje najlepszą stabilność wymiarową, ale jest najdroższy. Piasek ceramiczny łączy małą rozszerzalność i obojętność chemiczną z niższym zużyciem spoiwa i dobrą regeneracją.
Dobór zależy od stopu, geometrii odlewu, spoiwa i tego, jak wygląda dziś obieg piasku w Twojej odlewni. Jeśli walczysz z żyłkami, przypaleniami albo penetracją metalu, zacznij od próbki masy: sprawdź piasek ceramiczny CERAMSAND i zadzwoń, żeby omówić test na Twoim procesie.