Be rnhard J. Stauder1, Hubert Kerber2, Peter Schumac hesr-3, 1 Nemak Linz GmbH; A-4030 Linz, Austria / Austrija 2 Austrian Foundry Research Institute OGI / Avrstrijski liverski raziskovalni inš.; A-8700 Leoben, Austria / Austrija 3 Montanuniversitat Leoben, Chair of Casting Research, / Univerza v Loebnu, Oddelek za raziskave litja; A-8700 Leoben, Austria / Austrija Ocena jeder iz peska v livarski industriji s 3-točkovnim upogibnim testom Foundry sand core property assessment by 3-point bending test evaluation Povzetek Izboljšano razumevanje lastnosti jeder iz peska v livarski industriji je ključna zahteva za razvoj visoko natančnih postopkov ulivanja. Ta članek opisuje potencial ocene mehanskih in funkcionalnih lastnosti jeder iz peska z uporabo natančno pridobljenih krivulj podatkov iz 3-točkovnega upogibnega testa ob upoštevanju standardnih geometrij za upogibne preizkuse. Preučili smo štiri sisteme organskih vezivnih sredstev. Poleg upogibne trdnosti in modula elastičnosti, ki izhajata neposredno iz krivulj obremenitve, je bila za odpravo učinkov usedanja vzorca krivulja obremenitve predobdelana za potrebe pravilne analize odklona in togosti. Porabljeno mehansko delo je razdeljeno na značilne elastične in plastične deleže dela do zloma, ki so ob upoštevanju zadevnih pogojev specifični za različna peščena jedra. Na podlagi krivulje in parametrov dela so bili razviti indikatorji brez dimenzij za namene kvantifikacije krhkosti jeder. Na splošno je treba z vidika mehanske ocene peščenih jeder z umetnimi vezivi pretehtati viskoplastične učinke; pri sistemih vezivnih sredstev, ki niso popolnoma strjena, se zniža trdnost, zato so bili odklon in delo zloma opaženi pri nižjih hitrostih obremenitve. Primerjalna analiza rezultatov je pokazala, da je koncept krivulje obremenitve primerno orodje za natančnejšo analizo lastnosti peščenih jeder. Ključne besede: ulitek; preizkušanje peščenih jeder; ocena krivulje obremenitve; delo zloma; deformacija jedra; nadzor kakovosti. Abstract Improved understanding of foundry sand core properties is a key requirement for high precision casting process development. The present work demonstrates the potential to evaluate mechanical and functional sand core properties using precisely acquired 3-point bending test load curve data applying standard bending test geometries. Four organic binder systems haee been investigated. Further to bending strength and the elastic modulus, which can be directly derived from the load curves, a load curve pre-treatment to eliminate sample settlement effects was applied for a correct deflection and stiffness analysis. The consumed mechanical work shows characteristic elastic and plastic work portions until fracture, which are specific for different sand cores, respectively their condition. Dimensionless indicators to quantify core brittleness have been developed based on curve and on work parameters. Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 In general for mechanical evaluations of resin bonded sand cores, visco-plastic effects need to be considered, as for not fully hardened binder systems decreased strength, deflection and work of fracture were observed at lower load speeds. The benchmark results show that the load curve evaluation concept is a suitable tool to analyse foundry sand core properties more sensitively. Keywords: casting; sand core testing; load curve evaluation; work of fracture; core deformation; quality control 1 Uvod Izdelava kovinskih ulitkov z uporabo peščenih jeder omogoča produkcijo velikih serij kompleksnih komponent z internimi geometrijami. Primer takšnih komponent so glave valjev in bloki motorjev na notranje izgorevanje. Sliki 1 je prikazan ulitek glave valja iz aluminija ter potrebna peščena jedra za izdelavo notranjih površin, na Sliki 2 pa je prikazan sestavljen komplet peščenih jeder pred ulivanjem. Vpliv tehnologije, materialov in procesnih parametrov na dimenzijsko Slika 1: Prikaz ulitka zmerno kompleksne glave avtomobilskega valja iz aluminija ter potrebnih peščenih jeder za oblikovanje notranjosti (Sobczyk, 2008). Figure 1: Illustration of a medium complexity car cylinder head in cast Al and the required sand cores to shape its cavities (Sobczyk, 2008). 1 Introduction Metal casting using sand cores allows to produce complex components with internal geometries in high volumes. Examples therefore are combustion engine cylinder heads and blocks. Figure 1 shows a cylinder head cast from Al and the required sand cores for the internal surfaces, while in Figure 2 a preassembled sand core package is shown prior to casting. The influence of technology, materials and process parameters on dimensional accuracy of near-net-shaped castings has been systematically compiled by (Campbell, 2000). The foundry industry is forced to steadily improve process capabilities to Slika 2: Komplet peščenih jeder za kompleksno glavo valja, izdelan s procesom Rotacast (Gosch in Stika, 2005). Figure 2: Sand core package for an intricately shaped cylinder head prepared for casting by the Rotacast process (Gosch and Stika, 2005). 68 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 natančnost kompleksnih strojnih delov je sistematično pregledal Cambell (Campbell, 2000). Livarska industrija je prisiljena v stalne izboljšave postopkov z namenom proizvajanja lahkih ulitkov s tankimi stenami, ki morajo prav tako ustrezati vedno strožjim zahtevam zakonodaje glede izpustov v okolje (Lellig in sod., 2010). V nadaljevanju je poudarjen pomen razvoja tehnologije peščenih jeder. 1.1 Tehnologija peščenih jeder v livarstvu in njen razvoj Razvoj novih sistemov vezivnih sredstev, npr. kemično spajanje peščenih jeder, je temeljito raziskal Bindernagel (Bindernagel, 1983). Celovita zbirka o jedrih iz peska in sistemih vezivnih sredstev sta pripravila Flemming in Tilch (Flemming in Tilch, 1993). Mehanske lastnosti peščenih jeder so opisane predvsem s kvalitativnega vidika, podanih pa ni nobenih zakonov, povezanih z lastnostmi materialov. V livarnah za avtomobilsko industrijo se za proizvodnjo jeder najpogosteje uporabljajo organski postopki Coldbox, Warmbox in Hotbox. Opise procesov so podali Langer, Dunnavant in Brown (Langer in Dunnavant, 2011) ter (Brown, 2010). Trenutno poteka postopek zamenjave organskih vezivnih sredstev z anorganskimi, pri katerih se tvori manj vonjav. Vendar pa je treba zaradi drugačnih lastnosti takšnih novih vezivnih sredstev dodatno pozornost nameniti kontroli procesov (Weissenbek in sod., 2011). Nedavno je Czerwinski s sodelavci (Czerwinski in sod., 2015) pripravil pregled najnovejše tehnologije jeder v livarski industriji v povezavi z več najpomembnejšimi organskimi in anorganskimi sistemi vezivnih sredstev, ki se uporabljajo v različnih livarskih panogah. facilitate light-weight, respectively thin-walled castings, to contribute to ever tightening emission legislation requirements (Lellig et al., 2010). The importance of sand core technology development is highlighted there. 1.1 Foundry sand core technology and developments The development of new binder systems, such as chemically bond sand cores was intensively characterized by (Bindernagel, 1983). A comprehensive collection about sand and binder systems was given by (Flemming and Tilch, 1993). Mechanical properties of sand cores are mainly qualitatively described and no property related material laws are proposed. In automotive foundries the most widely applied core manufacturing processes are the organic Coldbox, Warmbox, and Hotbox core production processes. Process descriptions are given by (Langer and Dunnavant, 2011) and (Brown, 2010). Currently a substitution process of organic by inorganic binders having less odour development is ongoing. However, because of different properties, process relationships for such new binder types require increased attention on the process control (Weissenbek et al., 2011). Recently (Czerwinski et al., 2015) reviewed the state of the art of foundry core technology for several relevant organic and inorganic binder systems used in various foundry applications. Summarized,fundamentalrequirements into sand core properties are: • Sufficient strength to allow handling and manipulation operations; • High resistance against humidity during core storage. • High erosion and penetration resistance Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 Spodaj so povzete nujno potrebne glavne lastnosti peščenih jeder: • zadostna trdnost, ki omogoča rokovanje in manipulacijo, • visoka odpornost proti vlagi med skladiščenjem jedra, • visoka odpornost proti eroziji in penetraciji ter odsotnost kemičnih reakcij z lito kovino zagotavlja dobro kakovost površine ulitka, • nizka stopnja nastajanja plina in visoka stopnja prehajanja plinov, kar preprečuje napake, • visoka upogibna trdnost: upogibanje je najpomembnejša vrsta obremenitve peščenih jeder med ulivanjem. Nastaja lahko zaradi sil stiskanja, termalne obremenitve, upora zaradi pretoka in obremenitev zaradi vzgona. • enostavno otresanje po ulivanju, ki zagotavlja ulitke brez peska, • primernost uporabljenega livarskega peska za regeneracijo, • okolju prijazen sistem jeder, pri katerem ne nastaja veliko vonjav. 1.2 Raziskave peščenih jeder pod toplotnimi obremenitvami Na splošno na voljo ni prav veliko literature o vedenju peščenih jeder med ulivanjem. V nadaljevanju je podanih nekaj primerov raziskav peščenih jeder za livarsko industrijo pod realističnimi obremenitvami skupaj z uporabljenimi tipi podatkov za modeliranje. Deformacijo jedra za ulivanje kompleksne glave valja je preučil Dong s sodelavci (Dong in sod., 2010). Pri tem so uporabili podatke iz upogibnih testov in validacije z uporabo čašastega jedra za poskusno ulivanje. Predvideti je mogoče kritične regije ulitka kot posledico upogibanja jedra. Motoyama s sodelavci (Motoyama in sod., 2013) je raziskal zaostalo napetost and no chemical interaction with the cast metal to deliver a good casting surface quality. • Low gas evolution and high gas permeability to avoid casting defects. • High bending strength: bending is the most critical load type for sand cores under casting conditions. It can be imposed by clamping forces, thermal load, flow drag and buoyancy loads. • Easy shake-out after casting to obtain sand-free cast parts. • A good recycling ability of used foundry sand. • Environmentally friendly core systems with low odour development. 1.2 Research on sand cores under thermal load Generally only little research on sand core behaviour under casting conditions can be found in literature. Some examples of foundry sand core investigations under realistic loading conditions and the applied types of modelling data are given here. Deformation of a complex cylinder head water-jacket core has been studied by (Dong et al., 2010). Their used material data were based upon bending tests and upon validations using a cup type core for casting trials. Critical regions in the casting due to core bending could be predicted. (Motoyama et al., 2013) investigated residual stresses of castings influenced by counter forces from furanic moulds applying specifically developed in-situ measurement of the transmitted loads. The material properties for modelling were obtained by compressive tests. (Stachowicz et al., 2011) have described cohesive and adhesive fracture mechanisms of inorganically bonded cores. Even sand grain cracking was observed, 70 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 ulitkov, na katere v nasprotni smeri delujejo sile furanskih kalupov, posebej razvitih za meritve prenesenih obremenitev in situ. Lastnosti materialov za modeliranje so pridobili iz tlačnih testov. Stachowicz s sodelavci (Stachowicz in sod., 2011) je opisal kohezivne in adhezivne mehanizme lomov za jedra, izdelana z uporabo anorganskih vezivnih sredstev. Opazili so celo lomljenje peščenih zrn, vendar ne pri termalnih obremenitvah pod 1100 °C. Z upogibnimi testi pri visokih temperaturah je lastnosti novih škrobnih vezivnih sredstev za livarsko industrijo opisal Zhou (Zhou in sod., 2009). Poročali so o poškodbah peščenih jeder zaradi pokanja in razslojevanja vezivnega sredstva. 1.3 Preizkušanje peščenih jeder in drugih zrnatih materialov z vezivnimi sredstvi Sledi diskusija o preizkusnih metodah za peščena jedra v livarski industriji in druge relevantne vrste materialov, za katere je značilna nizka stopnja plastične deformacije. V livarski industriji so bili standardi preizkušanja peščenih jeder uvedeni sredi prejšnjega stoletja, kot potrjujejo tudi zapisi Društva livarjev Združenih držav Amerike (American Foundrymen's Society - AFS) - (Dietert, 1950). Upogibni testi so najpogosteje uporabljena metoda nadzora kakovostizapeščenajedravlivarskiindustriji, opisuje pa jih standard AFS (AFS, 1962) ter podobno tudi nemški standard (VDG, 1999). Noben ne predvideva pridobitve krivulje obremenitve, odklon snopa pa je mogoče določiti ročno. Hitrost obremenitve ni kvantificirana, vendar mora biti kljub temu konstantna ter delovati postopno. Upogibna trdnost se iz maksimalne obremenitve but not below a thermal load of 1100 °C. High temperature bending tests to describe the properties of a novel starch binder for foundries were performed by (Zhou et al., 2009). They observed sand core damage through binder cracking and delamination. 1.3 Testing of sand cores and other bonded granular materials Testing methods for foundry sand cores and other relevant material types with low plastic deformation will be discussed in the following. Within the foundry industry the standards of sand core testing have been established in the middle of the last century, as documented by American Foundrymen's Society - AFS - (Dietert, 1950). Bending tests are the most widely applied quality control for foundry sand cores, described by AFS (AFS, 1962) and similarly by the German standard (VDG, 1999). In both, no load curve acquisition is required and the beam deflection can be manually driven. The loading velocity is not quantified, but should be constant and smoothly applied. The bending strength is calculated from the maximum load based upon linear elastic continuum mechanical relations. To enable sand core deformation studies additional information from load-deflection curves is required. (Kerber et al., 2014) reviewed the conventional testing methods and standards for foundry sand cores. They demonstrated the improvement potentials by applying modern testing technology with precise load-displacement acquisition. A load velocity of 5 mm/min has been determined to achieve comparable conditions to existing bending test practice. (Ratke and Brück, 2006) analysed load displacement curves from bending and compression tests to investigate the Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 izračuna na podlagi mehanskih razmerij linearnega elastičnega kontinuuma. Za nadaljnje študije na področju deformacije peščenih jeder so potrebne dodatne informacije iz krivulj obremenitve in odklona. Kerber s sodelavci (Kerber in sod., 2014) je pripravil pregled preizkusnih metod in standardov za peščena jedra v livarski industriji. Dokazali so potencial izboljšav skozi uporabo moderne tehnologije preizkušanja s pridobitvijo natančne krivulje obremenitve in raztezka. Hitrost obremenitve 5 mm/min je bila določena za doseganje primerljivih pogojev z obstoječo prakso na področju upogibnih testov. Ratke in Brück (Ratke in Brück, 2006) sta analizirala krivulje obremenitve in raztezka z upogibnimi ter tlačnimi testi z namenom raziskave vpliva zrnavosti in vsebnosti vezivnih sredstev na kompozite iz kremenčevega peska, spojene z aerogelom. Thole in Beckermann (Thole in Beckermann, 2009) sta na podlagi standardov za tritočkovne upogibne teste, značilne za preizkušanje kovin, raziskala deformacijo fenolno-uretanskih jeder, ki se strjujejo sama in jih ni treba žgati. Izmerila sta module elastičnosti blizu vrednosti 4 Gpa pri proizvedenih vzorcih ter približno 1 Gpa po izpostavljenosti termičnemu sevanju. Schacht in Hayes (Schacht, 2004, pogl. Schacht in Hayes, Lastnosti materialov silika-opek) sta opisala krivuljo obremenitve za tlačne teste ognjevarnih silika-opek. Razmerje med maksimalnih smernim koeficientom tangente in sekante od ničle do točke maksimalne obremenitve je predstavljeno kot primerno merilo za opisovanje plastičnosti. Bradt (Schacht, 2004, pogl. Bradt, Fracture of Refractories) je opozoril na omejitve uporabe linearne mehanike kontinuuma za zrnaste materiale z vezivnimi sredstvi, ki imajo plastične lastnosti. Izboljšave je prikazal Wolf (Wolff in sod., 2013), in sicer na podlagi modela influence of granulometry and binder content on silica-Aerogel bond composites. (Thole and Beckermann, 2009) researched the deformation of phenolic-urethane no-bake self-setting cores applying three-point bending test standards from metal testing. Elastic moduli close to 4 GPa in the as-produced samples and about 1 GPa after thermal exposure were determined. (Schacht, 2004, chap. Schacht&Hayes, Silica brick material properties) described the load-displacement curve evaluation for compression tests on refractory silica bricks. The relation between the maximum slope tangent and the secant from zero to the maximum load point was presented as a suitable criteria to describe plasticity. (Schacht, 2004, chap. Bradt, Fracture of Refractories) pointed out the limitation of using linear continuum mechanics for bonded granular materials when having plasticity. Improvements were shown by (Wolff et al., 2013), applying "Discrete Element Method (DEM)" - simulations for a ceramic-polymer composite material under different bending test conditions. For small loads they have shown that visco-elastic effects could be neglected for the used acrylic binder. Moreover, initial settling against the load points are important and must be considered. They illustrated the performance of DEM simulations to investigate bonded particle compounds. A three-point bending DEM-setup is shown in Figure 3. Tarokh and Fakhimi, 2014) compared measured and simulated bending test curves of siltstones. A satisfyingly good agreement was given identifying the initial deformation of the physical specimen. That early portion of the curve was influenced by closure of the space between the specimen and the loading platen and furthermore a postulated closure of micro-cracks in the specimen. 72 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 spornji nosilec 1 / " lower support 1 zgornji nosilec / upper support \ spornji nosilec 1 / lower support 1 Tlačne sile, ki delujejo na delce / compressive force on partice [mN] f M -IS Slika 3: Natezne in tlačne sile, ki delujejo na delce med 3-točkovnim upogibnim testom (Wolff in sod., 2013). Figure 3: Tensile and compressive forces on particles during 3-point bending (Wolff et al., 2013). diskretnih elementov »Discrete Element Method (DEM)" - simulacije za keramično-polimerne kompozite pod različnimi pogoji upogibnih testov. Dokazali so, da je mogoče v primeru uporabljenih akrilnih vezivnih sredstev viskoelastične učinke zanemariti. Prav tako je treba upoštevati začetno usedanje na točke obremenitve. Dokazali so učinkovitost simulacij DEM za preučevanje spojin iz delcev. Na Sliki 3 je prikazan tritočkovni test DEM. Tarokh in Fakhimi (Tarokh in Fakhimi, 2014) sta primerjala izmerjene in simulirane rezultate krivulj upogibnih testov za skril. Pri identifikaciji začetne deformacije fizičnega vzorca sta zabeležila izredno veliko stopnjo ujemanja. Na začetni del krivulje vpliva zapora prostora med vzorcem ter bremenom ter dodatno še predvidene zapore mikrorazpok v vzorcu. Na podlagi krivulj obremenitve je mogoče analizirati tudi delo, dovedeno v vzorec. Rice (Rice, 1968) je za opisovanje plastičnosti vrha razpoke predstavil metodo »J-integral«. To načelo je v tem članku upoštevano. Namen je kvantificirati delo, ki ga dovede preizkusni stroj, ter oceniti elastično in plastično komponento dela. Further to load curves, the introduced work into the sample can be analysed also. (Rice, 1968) presented the "J-integral"-method to describe crack tip plasticity. An adoption of that principle will be used in this work. The goal is to quantify the introduced work from the testing machine and evaluate the elastic and plastic work portions. 2 Experimental methods 2.1 Used Materials The sand used for all samples was silica sand "H32" according to the technical datasheet (Quarzwerke, 2009), being a widely used reference for binder testing purposes. Figure 4 shows its grain morphology and the grain size distribution. Experiments are based upon one sand type and four different organic binder additions ranging from 1.2 - 1.9 wt.%. Table 1 defines the used binder systems and the hardening parameters, which are similar to typical serial applications used for Al-castings. Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 Slika 4: Morfologija peščenih zrn uporabljenega kremenčevega peska H32 in izhajajoče sejalne analize Figure 4: Sand grain morphology of the used H32 silica sand and the according sieve analysis 2. Preizkusne metode 2.1 Uporabljeni materiali Za izdelavo vzorcev je bil uporabljen pesek »H32« glede na podatke na podatkovnem listu (Quarzwerke, 2009), ki se kot referenca pogosto uporablja za namene preizkušanja vezivnih sredstev. Slika 4 prikazuje morfologijo peščenih zrn ter porazdelitev velikosti zrn. Preizkusi so osnovani na eni vrsti peska in štirih različnih vezivnih sredstev v različnih količinah med 1,2 in 1,9 % teže jedra. V Preglednici 1 so opredeljeni uporabljeni sistemi vezivnih sredstev ter parametri strjevanja, ki so podobni tipičnim uporabam v serijski proizvodnji ulitkov iz aluminija. 2.2 Proizvodnja vzorcev Mešanica peska in vezivnega sredstva je bila pripravljena v 5-kilogramskih serijah z laboratorijskim mešalnikom, nato pa je bila 2.2 Sample production The sand-binder mixtures were prepared in 5 kg batches using a laboratory stir mixer and then immediately used for core production. A conventional 5 l core blowing machine (Roeper H5) and a core box for three test bars per shot according to (VDG, 1974) were used. The effectively obtained test bar dimensions were 22,7 x 22,7 x 180 mm3. The samples were stored and tested in standard room conditions with 30 - 50 % relative humidity. Bending tests were conducted after storage times of 0, 1h, 4h and 24 h. The storage times were chosen as they are representative for high volume engine casting production. The "0 h"-condition describes the handling strength of the sand cores, which is important for their first manipulation after the core production. Testing was performed 5 min after core production. The results after 1h and 24 h represent the core properties at the 74 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 Preglednica 1: Uporabljena vezivna sredstva za poskuse ter glavne parametre strjevanja. Table 1: Used binder systems for the experiments and main hardening parameters. Sistem vezivnih sredstev / Binder System Mešalna razmerja / Mixture ratios Parametri strjevanja / Hardening parameters Cold-box (CB) Raztopina fenolne smole in izocianata v razmerju 1:1. Dimetiletilamin (DMEA) / Phenolic resin and isocyanate solution in 1:1 ratio. Di-Methyl-Ethyl-Amine (DMEA) Naplinjenje s hlapi DMEA / DMEA vapour gassing 15 s Hot-box (HB) Fenol formaldehidna smola in vodna raztopina amonijevega nitrata v razmerju 5:1. / Phenol formaldehyde resin and aqueous ammonium nitrate solution in 5:1 ratio. Segreto orodje / Heated tool: 220 °C / 30 s Warm-box type 1 (WB1) Furanska smola in vodna raztopina fenolne-sulfonske kisline, njenih aluminijevih soli in žveplene kisline v razmerju 5,5:1. / Furanic resin and aqueous phenol-sulfonic acid solution, its Al-salts and sulphuric acid in 5.5:1 ratio. Segreto orodje / Heated tool: 220 °C / 30 s Warm-box type 2 (WB2) Modificirana sečnina in furanska smola ter vodna raztopina fenolne-sulfonske kisline in njenih aluminijevih soli v razmerju 4:1. / Modified urea-furanic resin and aqueous phenol-sulfonic acid solution and its Al-salts in 4:1 ratio. Segreto orodje / Heated tool: 220 °C / 30 s nemudoma uporabljena za izdelavo jeder. Uporabljen je bil običajen stroj za vpihovanje jeder s prostornino 5 l (Roeper H5) terjedrnik za tri preizkusne plošče na vpih skladno z VDG (VDG, 1974). Dimenzije proizvedene preizkusne plošče so merile 22,7 x 22,7 x 180 mm3. Vzorci so bili skladiščeni in preizkušeni pri običajnih sobnih pogojih ter 30-50 % relativne vlažnosti. Upogibni testi so bili izvedeni po 0, 1, 4 in 24 urah. Takšni časi skladiščenja so bili izbrani, ker so reprezentativni za serijsko proizvodnjo ulitkov motorjev. Pogoj »0 ur« opisuje trdnost med rokovanjem peščenih jeder, ki je ključna z vidika prve manipulacije z jedrom po njegovi izdelavi. Testiranje je bilo izvedeno 5 minut po proizvodnji jedra. Rezultati po 1 uri in po 24 urah predstavljajo lastnosti jeder ob začetku ter ob koncu običajnega zaključka uporabe jedra, kot je v praksi v livarstvu. Povprečne vrednosti in standardni odkloni so določeni z vsaj tremi vzorci. beginning and end of a typical core usage in foundry practice. Mean values and standard deviations were determined for a minimum of three samples. 2.3 Three-Point-Bending-Tests The bending tests were performed on a 5 kN universal testing machine (Zwick_Roell, 2015) with a precise load-displacement measurement. A load velocity of 5 mm/min and a data acquisition rate of 10 Hz were set for the benchmarking. The lower support distance / is 150 mm and the cross section side length a is 22.7 mm. The bending stress calculation from the measured load F [N] according to continuum mechanics is shown by Equation 1. a = F - 3l 2a3 (1) Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 2.3 Tritočkovni upogibni testi Upogibni testi so bili izvedeni na univerzalni napravi za preizkušanje 5 kN (Zwick in Roell, 2015), ki omogoča natančno merjenje obremenitve in raztezka. Za primerjalno analizo sta uporabila hitrost obremenitve 5 mm/min in frekvenco pridobivanja podatkov 10 Hz. Razdalja med spodnjima nosilcema l meri 150 mm, prerez nosilca pa a 22,7 mm. Izračun upogibne napetosti iz izmerjene obremenitve F [N] skladno z mehaniko kontinuuma prikazuje Enačbo 1. o = F - 3l 2a3 (1) Tritočkovni upogibni test vzorcev na nosilcih naprave skladno s standardi testiranja VDG je prikazan na Sliki 5. 3 Rezultati Razdelek z rezultati je strukturiran tako, da prikazuje novo pridobljene podatke ter izhajajočo metodo za ocenjevanje, ki se uporabi za ocenitev krhkosti vzorca. A three-point bending test sample put on the machine supports according to the VDG-testing standard is shown in Figure 5. 3 Results The result section is structured to show the novel data acquisition and the subsequent evaluation method leading to evaluation of the sample brittleness. A final sequence will show the influence of load velocity on the properties. 3.1 Data acquisition and bending strength evaluation A typical example of acquired load curves is shown in Figure 6 (WB1 binder system after 4h storage time). The acquired bending strength results are visualized for all tested conditions in Figure 7. The different curve onsets in Figure 6 are caused by settlement effects at the start of loading. However, the inclining curve shape is similar for all tested samples, and highly linear. Some irregularities due to the granular nature of the sand cores Slika 5: Vzorec peščena jedra za livarsko industrijo med upogibnim testom. Premer zgornjega nosilnega dela treh nosilcev meri 3 mm skladno s standardi Društva livarjev Nemčije. Figure 5: Foundry sand core sample at bending test. The three supports are line supports with a top radius of 3mm according to the German Foundrymen's Standards 76 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 900 wb2 to cl O o" O ' ci v> tn (D ■ -t tn O) "U C > O) .Q 0,0 0,2 0,4 0,6 0,S odklon [mm]/ deflection [mm] Slika 6: Neobdelana obremenitev v visoki ločljivosti - krivulje odklonov. Jedro z vezivnim sredstvom WB1 preizkušeno po 4 urah skladiščenja Figure 6: Untreated high resolution stress -deflection curves. Core binder WB1 tested after 4 h storage time Končno zaporedje prikazuje vpliv hitrosti obremenitve na lastnosti. 3.1 Pridobivanje podatkov in ocena upogibne trdnosti Tipičen primeru pridobljene krivulje obremenitve je prikazan na Sliki 6 (sistem vezivnih sredstev WB1 po 4 urah skladiščenja). Pridobljeni rezultati upogibne trdnosti za vse preizkušene pogoje so prikazani na Sliki 7. Različni začetni deli krivulj s Slike 6 so posledica učinkov usedanja ob začetku obremenitve. Vendar pa je nagnjena in visoko linearna krivulja značilna za vse preizkušene vzorce. Opaziti je mogoče nekaj nepravilnosti, ki so posledica zrnavosti peščenih jeder. Do zloma vzorca pride spontano, ko je dosežena maksimalna trdnost. 30 čas skladiščenja t [h]/ storage time t [h] Slika 7: Rezultati upogibne trdnosti za vsa preizkušena jedra v odvisnosti od časa skladiščenja Figure 7: Bending strength results for all tested cores over storage time can be observed. Sample fracture occurs spontaneously after reaching the maximum strength. From Figure 7 it can be seen, that HB-and WB-cores reach their maximum bending strength at 1 to 4 h. After 24 h of storage, the bending strength of WB1- and HB-cores is decreased by about 3 %, and for WB2-cores more significant, by 12 %. The effect is generally associated to humidity take-up after the samples are cooled down, leading to softened bonds. In contrast to that, CB cores show much lower bending strength but a continuous increase over time due to ongoing polymerisation. However, after 24 h the strength of CB cores is only similar to that of WB2. A summary of the bending strength results is presented by Table 2, including absolute and relative standard deviations. The typical standard deviation is 6 % of the bending strength. Testing 10 samples for CB and HB-cores at the 24 h storage condition could confirm this typical scatter. Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 Preglednica 2: Povprečne vrednosti upogibne trdnosti in standardni odklon Table 2: Bending strength average values and standard deviation t CB HB WB1 WB2 aB s s/°B aB s s/°B aB s s/°B aB s s/°B [h] [0,01 MPa] [%] [0,01 MPa] [%] [0,01 MPa] [%] [0,01 MPa] [%] 0 182 18,9 10 275 16,5 6 532 32,6 6 326 22,3 7 1 265 9,7 4 434 41,6 10 703 27,7 4 435 30,6 7 4 278 24,2 9 462 27,6 6 732 25,4 3 421 12,0 3 24 372 22,6 6 446 21,7 5 705 42,1 6 385 17,9 5 S Slike 7 je razvidno, da jedra HB in WB dosežejo svojo najvišjo upogibno trdnost pri 1 do 4 urah. Po 24 urah skladiščenja se je upogibna trdnost WB1-jeder in HB-jeder zmanjšala za pribl. 3 %, upogibna trdnost WB-2 jeder pa se je zmanjšala bolj znatno, in sicer za 12 %. Učinek se v glavnem povezuje z povečanjem vlage po ohladitvi vzorcev, posledica česar so manj trdne vezi. Nasprotno pa so CB-jedra izkazala mnogo nižjo upogibno trdnost, ki pa se je zaradi potekajoče polimerizacije večala v odvisnosti od časa. Kljub temu je bila trdnost CB-jeder po 24 urah podobna zgolj trdnosti WB2-jeder. Povzetek rezultatov upogibnih trdnosti je predstavljen v Preglednici 2, vključno z absolutnimi in relativnimi standardnimi odkloni. Tipičen standardni odklon znaša 6 % upogibne trdnosti. Preizkušanje 10 vzorcev CB-jeder in HB-jeder po 24-urnem skladiščenju bi lahko potrdil takšen tipičen raztros. 3.2 Krivulja obremenitve, togost in deformacije Zaradi nadaljnje ocene je treba predobdelati krivulje obremenitve in izločiti začetne učinke usedanja. Značilne točke na krivulji so točka največje togosti (Pc ), točka največje trdnosti (Pa ) ter končna točka krivulje obremenitve 3.2 Load curve stiffness and deformation To permit further evaluations, a load curve pre-treatment to eliminate the observed initial settling effects is required. Characteristic curve points are the point of maximum stiffness (Pc), the point of maximum strength (Po ) and the load curve end point (Pmax )■ Pc meets the condition (d2 s)/ (ds2) = 0. At Pa the first derivative of the load curve is zero: (da)/ (ds) = 0. The load curve correction is conducted by shifting the curve with the intersection of the maximum stiffness tangent through Pc Po(SCT, Fa) odkloni snopa s [mm] / beam deflection s [mm] Slika 8: Prikaz metode popravka oz. predobdelave krivulje obremenitve na podlagi tangente na točko največje togosti. Dodatno je označena sekanta na točko maksimalno trdnost Figure 8: Illustration of the load curve settlement correction pre-treatment method based upon the maximum stiffness tangent. Additionally the secant to the maximum strength is indicated 78 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 (Pmax). PC ustreza pogojem (d2 s)/ (ds2) = 0. Pri Pa znaša prva izpeljanka iz krivulje obremenitve nič: (da) / (ds) = 0. Korekcija krivulje obremenitve se izvede s premikom krivulje pri presečišču tangente na točko največje togosti skozi PC ter vodoravno os skozi izhodišče (Slika 8). Tipične predobdelane krivulje obremenitve in deformacije za vse sisteme vezivnih sredstev s po enim značilnim primerov za vsak čas skladiščenja (0/1/4/24 ur) so prikazane na Sliki 9 (a, b, c, d). V glavnem se je pri CB-sistemih pokazala izrazita krivulja z nižjo togostjo v primerjavi z drugimi sistemi za vroče strjevanje. Krivulje CB-jeder dokazujejo tudi značilno odvisnost oblike krivulj obremenitve in odklona vse do 24 ur skladiščenja. Za vse sisteme vročega strjevanja so značilne predvsem linearne lastnosti obremenitve. Njihova togost je vse od 1 ure skladiščenja naprej primerljiva in nespremenjena kljub različnim upogibnim silam. Kvantitativna parametra krivulje sta odklon pri maksimalni obremenitve ter skladnost (primerjava na Sliki 8). V začetni fazi obremenitve se dodano delo elastično shrani v notranjosti vzorca. Predpostavlja se, da se, dokler ni dosežena vrednost P, ' ' c' energija preloma ne porabi. Na podlagi mehanskih razmerij linearnega elastičnega kontinuuma je mogoče oceniti modul elastičnosti ob upoštevanju maksimalne togosti C = Fn/s,., skladno z Enačbo 2: max C C E = ■ - C 4q4 max (2) and the horizontal axis through the origin (Fig. 8). Typical pre-treated load-deformation curves for all binder systems with one representative example for each storage time (0/1/4/24 hours) are shown in Figure 9 (a, b, c, d). Generally, the CB-system shows a pronounced curvature and a lower stiffness compared to all other hot hardening systems. The curves for CB also show a distinct time dependency of the load-deflection curve shape up to 24 h storage time. All hot setting systems show a rather linear loading characteristic. Their stiffness is comparable and unchanged from 1 h storage time onward, despite their different bending strength levels. Quantitative curve parameters are deflection at maximum load and the compliance (compare Figure 8). In the initial load phase the introduced work is elastically stored in the sample volume. It is postulated that until PC is reached no fracture energy is consumed. Based upon linear elastic continuum mechanical relations the elastic modulus can be evaluated using the maximum stiffness Cmax = FC/sC according to Equation 2: E = Qb P „ —^ = - C £ 4a4 max (2) Slika 10 prikazuje rezultate odklona snopa pri maksimalnih stopnjah obremenitve (sct) in Slika 11 rezultate modula elastičnosti. Odklon snopa iz predobdelanih krivulj obremenitve je lahko prvi indikator preoblikovalnosti jeder. V primeru sistemov z vročim strjevanjem so rezultati odklona Figure 10 shows beam deflection results at the maximum load level (sct) and Figure 11 the elastic modulus results. Beam deflection from pre-treated load-curves can be used as a first indicator for core deformability. For hot hardening systems the deflection results are significantly below that of CB-cores, except for WB1-cores, developing the highest strength. Interestingly, the elastic moduli of the different HB- and WB-systems are very similar to each other. After 1 hour storage time E is about 2.7 GPa. The CB-cores exhibit about 30 - 50 % lower elastic moduli. b £ Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 800 700 600 CL rc 5 500 400 300 200 100 ^ 24 h A It //' 1 ih r Oh P J* i__. f/ a) 0,2 0,4 0,6 s [mm] 800 700 600 CL rc 5 o. 500 400 300 200 100 0 411 / n 24 1 1 h Oh h // ,1 Si Jl / // t/ // it 800 700 600 CL rc ■=: CL 500 ° 8 400 c o> <5 .E 300 200 100 0,8 b) 800 700 r 1 h; 4 h / 24 h / ■ ■ U 11 f / / 0,2 0,4 0,6 0,i s [mm] 600 CL TO 5 O. i 500 ° 8 400 (D C O. 1= ro « c ra ro c n ra a o .o 300 200 100 f m t 41 j H1 / 24 h // 0 li / 0,2 0.4 s [mm] 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 C) s[mml d) Slika 9: Krivulje upogibne napetosti kot funkcije odklona snopa po 0 h, 1 h, 4 h in 24 h skladiščenja. Sistemi vezivnih sredstev: a) Coldbox CB, b) Hotbox - HB; c) Warmbox-1 -WB1, d) Warmbox-2 - WB2 Figure 9: Bending stress curves as function of beam deflection after 0 h, 1 h, 4 h and 24 h storage time. The binder systems are: a) Cold-box - CB; b) Hotbox - HB; c) Warmbox-1 - WB1; d) Warmbox-2 - WB2 80 Livarski vestnik, letnik 64, št. 2/2017 103 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 E ÊÊ I - 'c TJ (D TO E ° E o -♦-CB -b-HB -»-WB1 0,9 0,8 0,7 WB2 3 -b-HB -b-WBI A WB2 0,6 0,5 0,2 0,1 0,0 k r rr- T = f L i'l i T 1 k- ■ -rt —é- 0 10 20 30 Čas do preizkusa [h] / time to test [h] m m C □ >o -a *ï o o