You cannot copy content of this page.
Sunday, 15 December 2019

การทำแบบหล่อทรายชื้น (Greensand Molding)

การทำแบบหล่อทรายชื้น หรือแบบหล่อทรายดำ (Greensand Molding)

การหล่อด้วยแบบหล่อทรายดำ เป็นการหล่อด้วยแบบหล่อทรายที่นิยมใช้กันมาก เนื่องจากมีต้นทุนที่ถูกที่สุด

ส่วนผสมของแบบหล่อทรายดำ จะประกอบด้วย

1. ทราย (New sand)
2. ตัวประสาน (Binder) จะใช้ดินเหนียว (Clay) โดยธรรมชาติดินเหนียวส่วนใหญ่จะประกอบด้วยไฮเดรต-ซิลิเกตอะลูมิน่า แยกออกเป็น3 กลุ่ม คือ

  • 2.1 ดินเหนียว Kaolinite หรือ ไชน่าเคลย์ เป็นดินสีขาว มีสูตรทางเคมี Al2O3.2SiO2 เป็นดินเหนียวที่มีคุณสมบัติทนความร้อนสูง แต่ความเหนียวน้อย
  • 2.2 ดินเหนียว Ball Clay มีลักษณะคล้ายไชน่าเคลย์ แต่จะมีความละเอียดมากกว่า และให้ ความเหนียวมากกว่าประเภทแรก ใช้ผสมทรายแบบเพื่อเพิ่มคุณสมบัติ ทางด้านความแข็งแรงในสภาพแห้ง (Dry Strength) และความแข็งแรงในสภาพร้อน (Hot strength)
  • 2.3 ดินเหนียว Bentonite clay หรือ Montmorillonite กล่าวกันว่ าเป็นดินเหนียวที่ได้มาจากการสลายตัวของเถ้าภูเขาไฟ เป็นดินเหนียวที่ดูดซึมน้ำ และขยายตัว (Swelling) ได้มาก ทําให้มีความเหนียวสูงมาก เหมาะสําหรับผสมปั้นทรายแบบ

ตัวประสานที่นิยมนำมาใช้ในการทำแบบหล่อ คือ เบนโทไนต์ (Bentonite) โดยทั่วไปจะแบ่งได้ 3 ประเภท

  1. โซเดียมเบนโทไนต์ – Natural Sodium Bentonite (Na Bentonite)
  2. แคลเซียมเบนโทไนต์ – Natural Calcium Bentonite (Ca Bentonite)
  3. โมดิฟลายด์แคลเซียมเบนโทไนต์ – Modified Calcium Bentonite (Ca-Modified/ Na-Activated Bentonite/ Na-Modified Bentonite) คือแคลเซียมเบนโทไนต์ที่มีการเติม Soda Ash เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆให้ดีขึ่น

3. สารปรุงแต่ง (Additives) 

  1. สารที่ให้คาร์บอน (Carbonaceous)
    • ซีโคล – Sea coal (Coal Dust) – Lustrous carbon content 8.0-12 %
    • กิลโซไนต์ – Gilsonite – Lustrous carbon content 15 %
    • ลิกไนต์ – Lignite
    • แอสฟัลต์ – Asphalts – Lustrous carbon content 25 – 35 %
  2. ซีเรียล (Cereal)
    • แป้งข้าวโพด (Corn Flour)
  3. แป้ง (Starch)
    • เด็กซตริน (Dextrin)
  4. เซลลูโลส (Cellulose)
    • ผงขี้เลื่อย (Wood Flour)

4. น้ำ (Water)

หลักเกณฑ์ในการเลือกทราย (New Sand Selection)

ทรายที่นิยมใช้ในการทำแบบหล่อคือทรายซิลิก้า (Silica Sand) เนื่องจากมีราคาถูก และมีความสามารถทนความร้อนได้เพียงพอ ดังนั้นจะอธิบายถึงหลักเกณฑ์ในการเลือกทรายซิลิก้ามาใช้ในการทำแบบหล่อ ดังต่อไปนี้

  1. ปริมาณซิลิก้าที่มีในทราย (Silica Content) ควรมีปริมาณ ซิลิก้า (SiO2) มากกว่า 97% และมีปริมาณเม็ดกรวด หินปูน หรือเปลือกหอย และสิ่งแปลกปลอมต่างๆในปริมาณที่ต่ำที่สุด ดังนั้นเราจะสังเกตด้วยตาเปล่าได้ ทรายที่มีปริมาณซิลิก้าสูงจะเป็นสีขาว มากกว่าทรายที่มีสิ่งเจือปน ดังนั้นทรายที่นำมาใช้ทำทรายแบบหล่อ หรือทรายไส้แบบ ควรเป็นทรายที่ผ่านการล้างแล้ว
  2. ปริมาณดินที่ปนเปื้อน (Clay Content) ควรมีปริมาณน้อยกว่า 0.5%
  3. ขนาดของเม็ดทราย และการกระจายตัวของเม็ดทราย (Sand Grain Size and Distribution) ควรเลือกใช้ทรายที่มีการกระจายตัวของเม็ดทรายเป็นแบบรูประฆังคว่ำ และควรเป็นทรายที่มีปริมาณทรายค้างอยู่ใน 3- 4 ตะแกรง ในปริมาณที่มากกว่า 90 % และไม่ควรมีทรายในแต่ละตะแกรงเกินร้อยละ 40%

การกระจายตัวของเม็ดทรายมีความสำคัญต่อคุณภาพของแบบหล่อมาก มีช่างหล่อหลายคนที่มักจะยึดค่า AFS. Grain Fineness number เป็นหลัก แต่จริงๆแล้วค่าดังกล่าวยังไม่เพียงพอที่จะอธิบายถึงการกระจายตัวของเม็ดทรายได้ ขอยกตัวอย่างดังต่อไปนี้

sand-distribution-sieve
รูปที่ 4-1 แสดง AFS. Grain Fineness No. ของ Sand A และ Sand B
sand-distribution
รูปที่ 4-2 แสดง กราฟกระจายตัวของ Sand A และ Sand B

จากรูปที่ 4-1 และรูปที่ 4-2 แสดงให้เห็นว่า ทรายทั้ง 2 ตัวอย่างมี AFS. Grain Fineness Number เท่ากัน แต่ การกระจายตัวของเม็ดทรายนั้นต่างกัน

  • ทรายที่มีขนาดเล็ก หรือ AFS. Grain Fineness No. สูง นอกจากต้องใช้ตัวประสานมากขึ้นแล้วยังช่วยทำให้ผิวแบบทรายเรียบละเอียด ผิวชิ้นงานที่ได้ก็จะเรียบด้วยเช่นกัน  แต่การระบายแก๊สระหว่างเทน้ำโลหะจะไม่ค่อยดี ต้องออกแบบให้มีการระบายแก๊สเพิ่มเติม
  • ทรายที่มีขนาดใหญ่ หรือ AFS. Grain Fineness No. ต่ำ จะให้ผิวทรายที่หยาบ ผิวชิ้นงานที่ได้ก็จะหยาบด้วยเช่นกัน และมีโอกาสพบปัญหาน้ำโลหะแทรกได้ แต่การระบายแก๊สระหว่างเทน้ำโลหะจะดี อาจไม่ต้องออกแบบให้มีการระบายแก๊สเพิ่มเติม

4. รูปร่างของเม็ดทราย (Sand Grain Shape) เม็ดทรายจะมีรูปร่างตามธรรมชาติที่แตกต่างกัน ดังรูปที่ 8 ข้างล่าง รูปร่างของเม็ดทรายก็ส่งผลต่อการยึดเกาะระหว่างเม็ดทราย และความแข็งแรงของแบบทราย โดยทั่วไปแล้วทรายแบบหล่อ หรือทรายที่ใช้ทำไส้แบบที่ดี ควรจะรูปทรงกลม (Rounded shape) หรือกึ่งทรงกลม (Sub-rounded shape) แต่ในทางปฏิบัติอาจจะหาทรายที่มีรูปร่างดังกล่าวได้ยาก ในเมืองไทยส่วนใหญ่จะเป็นรูปร่าง Sub-angular และมี Sub-rounded ปนอยู่บ้าง

sand-grain-shape
รูปที่ 4-3 แสดงรูปร่างของทราย (Grain Shape)

หลักเกณฑ์ในการเลือกเบนโทไนต์ (Bentonite Selection)

1. แหล่งของเบนโทไนต์ (Bentonite Source) ถือว่ามีความสำคัญมาก จะเป็นตัวบ่งบอกถึงคุณภาพของเบนโทไนต์ได้เป็นอย่างดี เนื่องจากเบนโทไนต์เกิดจากการสลายตัวของเถ้าภูเขาไฟ ดังนั้นถ้าบริเวณนั้นมีภูเขาไฟขนาดใหญ่ เมื่อเกิดการระเบิดขึ้นจะมีปริมาณเถ้าภูเขาไฟจำนวนมากตกลงทั่วบริเวณโดยรอบของภูเขาไฟ ซึ่งปริมาณเถ้าภูเขาไฟที่ทับถมเป็นบริเวณกว้าง และมีจำนวนมากนั้น เมื่อเกิดการสลายตัว และขุดเอามาใช้จะได้เบนโทไนต์ที่มีคุณภาพที่สม่ำเสมอในปริมาณมาก และมีคุณภาพสม่ำเสมอกว่าแหล่งที่มีภูเขาไฟขนาดเล็กหรือที่มีพื้นที่โดยรอบน้อย

ถ้าแหล่งภูเขาไฟใกล้น้ำทะเลจะมีโอกาสได้โซเดียมเบนโทไนต์ ซึ่งโซเดียมเบนโทไนต์ที่ได้จากธรรมชาติ (Natural Sodium Bentonite) จะมีคุณภาพที่ดีกว่าเบนโทไนต์ที่นำมาทำการปรับปรุง (Modified Calcium Bentonite)

2. ขนาดของชิ้นงานหล่อหรืออัตราส่วนระหว่างทรายแบบ และปริมาณน้ำโลหะ (Size of Castings or Sand Metal Ratio) เป็นอีกหลักเกณฑ์ที่สำคัญที่ใช้ในการเลือกชนิด และปริมาณการเติมของเบนโทไนต์

3. ชนิดของเบนโทไนต์ (Type of Bentonite)

3.1 โซเดียมเบนโทไนต์ และโมดิฟลายด์แคลเซียมเบนโทไนต์ (Na and Modified Ca Bentonite)

  • ทนความร้อนได้สูงกว่า (Higher Durability)
  • ความแข็งแรงขณะร้อน และขณะแห้งสูงกว่า (Higher Hot & Dry Compression Strengths)
  • รักษาความชื้นในตัวไว้ได้ดี (Retains Water better)

3.2 แคลเซียมเบนโทไนต์ (Calcium Bentonite)

  • ความแข็งแรงขณะชื้นได้สูง (Highest Green Compression Strength)
  • ผสมให้เข้ากับทรายได้ง่าย (Easier Mulling)
  • การไหลของทรายดี (Better Flowability)
  • แยกชิ้นงานออกจากแบบทรายได้ง่าย (Better Shakeout)
  1. คุณสมบัติเฉพาะตัวของเบนโทไนต์ (Bentonite properties)
    1. Montmorillonite 85%+
    2. Metheylene Blue Clay 90-120
    3. PH 8.0 – 10.5
    4. 80% Passing 200 Mesh
    5. Moisture 7.5% 11.0%
    6. Free Swell (Calcium)  4-10 cc/2g
    7. Free Swell (Sodium)   16-35 cc/2g
    8. Free Swell (Modified Calcium) 15-30 cc/2g
  2. คุณสมบัติทางกล ก่อนและหลังการทำแคลไซต์ ที่ 600oC (Mechanical Properties (Before and after 600oC Calcine)
    1. Compactability-Moisture Ratio
    2. Green Compressive Strength
    3. Dry Compressive Strength
    4. Wet Tensile (Soda Activated Bentonite)

หลักเกณฑ์ในการเลือกสารปรุงแต่ง (Additives Selection)

ปัจจัยหลักๆที่เราต้องเติมสารปรุงแต่ง (Additives) ลงไปในแบบหล่อก็เพื่อ

  • ปรับปรุงการแยกชิ้นงานออกจากแบบทราย (Improve Collapsibility (Shakeout))
  • ช่วยเรื่องการขยายตัวของทราย (Offset Sand Expansion)
  • ป้องกันปัญหาน้ำโลหะแทรก (Prevent Metal Penetration)
  • เพิ่มความแข็งแรงของทรายขณะชื้น (Increase Green Strength)
  • ปรับปรุงเรื่องคุณภาพของผิวชิ้นงานหล่อ (Improve the Surface finish of Castings)
  • เพิ่มการไหลตัวของทรายให้ดีขึ้น (Increase Flowability)
  • ช่วยรักษาความชื้นไว้ในแบบทราย (Retain Water)

หลักเกณฑ์ในการเลือกสารปรุงแต่ง (Additives Selection)

ปัจจัยหลักๆที่เราต้องเติมสารปรุงแต่ง (Additives) ลงไปในแบบหล่อก็เพื่อ

  • ปรับปรุงการแยกชิ้นงานออกจากแบบทราย (Improve Collapsibility (Shakeout))
  • ช่วยเรื่องการขยายตัวของทราย (Offset Sand Expansion)
  • ป้องกันปัญหาน้ำโลหะแทรก (Prevent Metal Penetration)
  • เพิ่มความแข็งแรงของทรายขณะชื้น (Increase Green Strength)
  • ปรับปรุงเรื่องคุณภาพของผิวชิ้นงานหล่อ (Improve the Surface finish of Castings)
  • เพิ่มการไหลตัวของทรายให้ดีขึ้น (Increase Flowability)
  • ช่วยรักษาความชื้นไว้ในแบบทราย (Retain Water)
AdditiveGreen compression Strength (GCS.)Dry compression Strength (DCS.)Hot compression Strength (HCS.)
BentoniteIncreaseIncreaseIncrease
CelluloseDecreaseDecreaseDecrease
CerealIncreaseIncreaseDecrease
DextrinDecreaseIncreaseDecrease
SeacoalIncreaseIncreaseDecrease

สารที่ให้คาร์บอน (Carbonaceous)

โดยทั่วไปสารที่ให้คาร์บอนจะมีหลายตัวตามที่กล่าวไว้ข้างต้น แต่ที่เป็นที่นิยมใช้มากที่สุดจะเป็น ซีโคล (Sea Coal or Coal dust) ดังนั้นจะขออธิบายเฉพาะการเลือกใช้ซีโคลเท่านั้น หน้าที่หลักของซีโคล คือ

  • ช่วยลดแก๊สภายในแบบทราย
  • ช่วยลดปัญหาการขยายตัวของแบบทราย
  • ช่วยให้ผิวชิ้นงานเรียบสวยขึ้น สืบเนื่องมาจาก ฟิล์มคาร์บอน (Lustrous carbon) ที่เกิดจากการเผาไหม้ในแบบทราย

คุณสมบัติเฉพาะตัวของซีโคล (Sea coal properties)

  • Volatile combustible matter (VCM) @982oC = 32 – 38%
  • Low Ash content < 10.0%
  • Low Sulfur content < 1.0%
  • ความละเอียดของซีโคล ไม่ควรละเอียดเกินไปเพราะจะทำให้เกิดปัญหาแก๊สได้ และไม่ควรหยาบเกินไปเพราะจะทำให้เกิดเป็นก้อนชิ้นเล็กๆฝังในชิ้นงานได้

ซีเรียล (Cereal)

ซีเรียลที่นิยมใช้ จะเป็นแป้งข้าวโพด (Corn Flour) ควรจะเป็นแป้งข้าวโพดดิบ สีขาว จะเหมาะสำหรับใช้ในแบบหล่อทรายชื้น (Green sand) หน้าที่หลักของแป้งข้าวโพด คือ

  • รักษาความชื้น (Retains Water)
  • ไม่ละลายน้ำ (Not Soluble)
  • เผาไหม้ได้เร็ว (Fast Burnout (low end VCM))
  • ลดการไหลตัวของทรายลง (Decreases Flowability)
  • เพิ่มความแข็งแรงขณะแห้งขึ้น (Increased Dry Compression Strength (DCS.))

Tips: โดยทั่วไปแล้วเมื่อใช้แป้งข้าวโพด (0.04 – 0.15%) ควรลดปริมาณการใช้เบนโทไนต์ลง เนื่องจาก DCS. จะสูงขึ้นทำให้ทรายติดกับชิ้นงาน Shakeout ออกยาก และเพื่อช่วยเรื่อง Flowability ของทรายด้วย

แป้ง หรือ เด็กซ์ตริน (Starch or Dextrin)

เด็กซ์ตริน เป็นแป้งที่ผ่านความร้อนมาแล้ว ดังนั้นจะสามารถละลายน้ำได้ง่าย (70 – 90%) และดูดซับน้ำได้มากกว่าซีเรียลถึง 3 เท่าตัว โดยทั่วไปเด็กซ์ตรินจะถูกนำมาใช้เพื่อช่วยชดเชยการขยายตัวของทรายแบบหล่อระหว่างเทน้ำโลหะ เนื่องจากเด็กซ์ตรินเผาไหม้ได้เร็ว ดังนั้นจึงช่วยแก้ปัญหาจำพวก Stress crack และ Hot tear ได้

Tips: เด็กซ์ตรินเมื่อเติมลงในแบบทรายแล้ว ต้องใช้ปริมาณน้ำมากขึ้นเล็กน้อย เมื่อเติมเด็กซ์ตรินในแบบทรายจะรู้สึกว่าทรายแบบเหนียวขึ้น แต่เด็กซ์ตรินไม่มีส่วนช่วยให้ความแข็งแรงขณะแห้ง (DCS.) เพิ่มขึ้น

น้ำ หรือความชื้น (Water or Moisture)

น้ำเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดในบรรดาสารปรุงแต่งที่เติมลงในทรายแบบหล่อ เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการทำแบบหล่อทรายชื้น น้ำมีส่วนช่วยให้เกิดแรงดึงดูดระหว่างดินเหนียว (Clay) และเม็ดทราย (Sand) แต่ปริมาณของน้ำต้องอยู่ในปริมาณที่พอเหมาะ คือ อยู่ระหว่าง 4 – 8 % จะเป็นปริมาณที่ทําให้ดินเหนียวยึดกับทรายได้ดีทําให้เกิดความแข็งแรงดี ถ้าน้ำน้อยกว่า 4% ให้ดินเหนียวผสมกับน้ำไม่ทั่วถึงขาดความแข็งแรง ถ้าผสมน้ำมากกว่า 8 % ทําให้ทรายอ่อนตัวเกินไป สูญเสียความแข็งแรง เนื่องจากถ้าผสมน้ำมากกว่า 8 % น้ำส่วนเกินจะไปอยู่ตามช่องว่าง และยังมีส่วนทําให้ทรายแบบมีความแน่นมาก แก๊สและไอน้ำที่เกิดขึ้นในขณะสัมผัสกับโลหะหลอมเหลว หนีออกภายนอกผ่านเม็ดทรายได้ยาก เป็นเหตุให้สูญเสียคุณสมบัติทางด้านความโปร่งอากาศ (Permeability)

clay-moisture-content
รูปที่ 4-4 แสดงปริมาณน้ำที่เหมาะสมกับปริมาณ Clay ในระบบ