Wet tensile strength testing in neutron radiography - cause-property relation studies in bentonite bonded molding sands
Final Report Abstract
Na-Bentonite sind die am häufigsten verwendeten Bindemittel bei Gießereiformsanden. Der Anteil des Binders beträgt ca. 5-10 Gew.-%. Darüber hinaus enthält der Formsand im Wesentlichen noch 2-5 Gew.-% Wasser. Wegen der niedrigen Partikel- und Gasemission beim Guss und der sehr guten Wiederverwendbarkeit ist bentonitgebundener Formsand einer der umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Gießereiformstoffe. Durch den Guss entsteht ein Temperaturgradient in der Form. Wasser verdampft im heißen, metallzugewandten Bereich und kondensiert im kühlen, metallabgewandten Bereich. So bilden sich wandernde Zonen aus, die unterschiedliche Temperaturen und Feuchtegehalte und daher unterschiedliche mechanischen Eigenschaften besitzen. Diese Unterschiede können zum Abplatzen von Sandlagen in der Form führen. Um die Neigung eines Sandes zur Bildung von Abplatzungen zu beurteilen, ist die Nasszugfestigkeitsprüfung eine Schlüsselmethode. Trotz großer Fortschritte in der Forschung ist der Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften, der Temperatur und der Feuchtigkeit von Formsanden jedoch nicht vollständig geklärt. Voraussagen der Zugfestigkeit sind ungenau - auch wegen der Fähigkeit der Tonminerale, Wasser in den Zwischenschichten aufnehmen zu können. Zudem können hohe Temperaturen zu Alterationen der Tonminerale führen und die Qualität und Wiederverwendbarkeit des Formstoffs erheblich beeinflussen. Auf der Basis dieser Ausgangslage war es Ziel des Projekts, ein besseres wissenschaftliches Verständnis über die Prozesse zu erreichen, die die Formstoffqualität beeinflussen. Dazu wurde ein neutronenstrahlkompatibles Nasszugfestigkeitsprüfgerät gebaut, um Festigkeitsprüfungen in-situ im Neutronenradiographen durchführen zu können. Das Gerät ermöglichte es, zusätzlich zur Festigkeit und zur lokalen Temperatur auch die momentane Feuchteverteilung zuverlässig und quantitativ zu bestimmen. Dadurch konnte erstmals geklärt werden, wann, wo und unter welchen Bedingungen welcher Formstoff reißt und welche Parameter oder Vorgehensweisen die Wiederverwendbarkeit erhöhen könnten. Die Versuche zeigten, dass die Rissposition am Ort maximaler Feuchtigkeit liegt und unabhängig von der initialen Feuchte der Sande ist. Die Rissposition korreliert mit der Grenze zwischen Verdampfungs- und Kondensationszone und der 100 °C Isotherme. An dieser Stelle weist die Zugfestigkeit durch die inverse Beziehung zwischen Temperatur und Kapillarkräften ein Minimum auf. In der angrenzenden Verdampfungszone steigt die Festigkeit wieder an, weil Präzipitate aus dem Porenwasser eine zementierende Wirkung entfalten. Das Ergebnis widerspricht der Annahme, dass die Rissfläche innerhalb der Kondensationszone zu finden wäre. Im zweiten Teil des Projektes standen Untersuchungen im Vordergrund, die zeigen sollten, wie sich die Eigenschaften des Formsands ändern, wenn er zyklisch wiederverwendet oder hitzevorbehandelt wurde. Sande, die bis zu 22-mal getrocknet (T = 120 °C) und rückgefeuchtet waren, zeigten keine signifikante Änderung in Feuchtekinematik und Nasszugfestigkeit. Demgegenüber zeigten hitzevorbehandelte Sande schon ab 225 °C eine Abnahme der Nasszugfestigkeit und ab 330 °C eine deutliche Zunahme der Feuchteausbreitungsgeschwindigkeit. Die Ursache der Eigenschaftsänderung ist im Verlust der strukturellen und kompositorischen Integrität der Smectite zu suchen. Nach der weitgehenden Einbuße der Kapillarkräfte an der Grenze zwischen Verdampfungs- und Kondensationszone bestimmt diese Integrität die Zugfestigkeit des Formsandes über die remanente Stabilität der Tonmineralbrücken zwischen den Quarzkörnern. Auf der Basis dieser Ergebnisse folgt für die Gießereipraxis, dass eine rigorose Trennung von wärmeexponiertem und nicht-wärmeexponiertem Sand nach dem Guss von großem Vorteil sein könnte, wenn die Maximierung der Wiederverwendung des Sandes bedingungslos im Vordergrund steht.
Publications
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(2018): Bentonite bonded moulding sands - New insights in the interplay of heat and mass transport and mechanical properties. Dissertation an der Fakultät für Geowissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schiebel K.
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(2018): Effects of heat and cyclic reuse on the properties of bentonite-bonded sand. European Journal of Mineralogy, 30 (6)
Schiebel K., Jordan G., Kaestner A., Schillinger B., Georgii R., Hess K.-U., Böhnke S., Schmahl W.W.
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(2018): Neutron radiographic study of the effect of heat-driven water transport on the tensile strength of bentonite-bonded moulding sand. Transport in Porous Media, 121, 369–387
Schiebel K., Jordan G., Kaestner A., Schillinger B., Boehnke S., Schmahl W.W.
