9.4 Kemiska bindemedel

För att ha effektiva processer är det viktigt att sanden snabbt fyller upp alla utrymmen i kärnlådan och härdar till en fast massa. För vissa bindemedelssystem åstadkoms detta genom att man låter gas strömma genom kärnlådan. För vissa andra system krävs uppvärmning. Självstelnande bindemedel har ett långsammare härdningsförlopp.

Den tid man har innan sandblandningen börjar härda kallas för bänktid. När den tiden är uppnådd kan sanden inte längre användas på grund av att bindkraften mellan sandkornen blir för låg. För att få bästa effekt av bindemedlet, bör sanden vara så torr och ren som möjligt samt fri från alkali. Vatten kan påverka härdningen negativt. Småpartiklar och slam har stora ytor som konsumerar mycket bindemedel. Runda korn är en fördel för lägre bindemedelsförbrukning.

Kemiska bindemedel är färskvaror, vilket gör att man bör tänka på de lagringstider och lagringstemperaturer som leverantörerna föreslår i sina datablad för respektive bindemedelskomponent. Komponenterna påverkas också negativt av fukt och ska lagras i slutna kärl. Lagring vid temperaturer utanför de angivna temperaturerna och tiderna samt övriga rekommendationerna från leverantörerna kan bland annat leda till för tidigt åldrande eller påverkad viskositet och sämre vidhäftning/bindstyrka. ”Först in – först ut” är den tumregel som gäller. Det betyder alltså att bindemedlen skall förbrukas i kronologisk ordning.

De ämnen som används i kemiska bindemedel har alla egenskapen att vara reaktiva eller till och med starkt reaktiva. Hanteringen av dessa kan innebära risker för såväl hälsa som brand och explosionsrisker. Därför finns speciella krav vad det gäller både lagrings- och transportföreskrifter. För vissa av bindemedelskomponenterna krävs också brand- och EX-klassning (det vill säga explosionsskydd). Det gör i sin tur att man måste använda EX-klassad utrustning och ha särskida EX-klassade områden i produktionen.

Det ställer också krav på att göra de mätningar och redovisningar som tillsynsmyndigheter kräver med hänvisning till lokalt, nationellt eller internationellt regelverk. Det gäller till exempel översyn av arbetsmiljös utformning, regelbundna hälsoundersökningar samt mätningar av gränsvärden för kvarts och vissa kemikalier.

Leverantören av bindemedel skall alltid informera om handhavande och eventuella risker för användarna. Läs mer om brand- och explosionsrisker här.

Kemiska bindemedel har flera negativa miljöaspekter. Att de ändå används beror på krav på gjutgodskvalitet och önskemål om hög produktivitet.

Detta gäller speciellt vid kärntillverkningsmetoder, där det på grund av produktionshastighet i huvudsak används gashärdande bindemedelssystem.  Men det används också både kall- och varmhärdande kemiska bindemedelssystem.

Med stigande krav på både arbetsmiljö och yttre miljöhar mindre miljöbelastande bindemedelssystem utvecklats. Samtidigt har de existerande bindemedlens egenskaper optimerats, både vad gäller teknik och miljö.

Detta gör att intresset för utveckling av oorganiska bindemedel har ökat då dessa är mer miljövänliga. För att välja bindedel som är optimala ur miljösynpunkt bör hänsyn tas till flera olika faktorer såsom:

• Befintlig produktionsutrustning
• Produktpalett
• Kundkrav
• Ekonomi
• Produktionskapacitet

Vidare skall hänsyn tas till hållfastheten hos kärnor och formar, till den termiska nedbrytbarheten (urslagningsegenskaperna) samt till hur bindemedelssystemet påverkar gjuteriets övriga processer, till exempel påverkan på bentoniten i formmassan. Uppfylls exempelvis inte hållfasthetskraven på det utvalda bindemedlet, kan detta medföra ökad kassation samt ökat rensningsarbete och ökad bindemedelsförbrukning. På längre sikt påverkas även arbetsmiljön genom ökad kladdning i kärnlådorna som i sin tur medför mer rengöring och gasutveckling när hela tiden en större bindemedelsmängd behöver tillsättas för att kompensera för de dåliga egenskaperna vad gäller hållfasthet.

Dålig termisk nedbrytning kan medföra ökad arbetsinsats vid urslagning och rensning. Båda dessa aktiviteter är ytterst arbetsmiljöbelastande. Användning av ett sådant bindemedelssystem kan på samma sätt påverka det ekonomiska resultatet.

Ett mer miljövänligt bindemedel är som framgår av de nämnda orsakerna inte alltid en optimal lösning.

Furan är ett kallhärdande bindemedelssystem, där en slags harts och en syra blandas i ren nysand eller renad återvunnen sand.

Sanden ska vara fri från kalk och vatten och sandtemperaturen bör hållas mellan 15 och 25 grader. För återvunnen sand gäller dessutom att slamhalt och glödgningsförlust hålls på miniminivå samt att pH-värdet inte får understiga 3.

Idag används främst fenolfuranharts med furfurylalkohol (FA), furan/karbamidharts samt furan/resolharts. Denna typ av harts ger hög varmhållfasthet och används även till grovt järngjutgods.

Om fosforsyra används som härdare tillsätts en del kväve i hartserna.

Normalt används 0,8 – 1,2 procent harts räknat på sandvikten. Mängden syra (härdare) är oftast 20 – 50 procent räknat på hartsvikten. Då ett FA-innehåll under 25 procent gör att hartsen inte klassas som giftig sker en utveckling mot hartser med lägre innehåll av ämnet.

Bortsett från begränsningar med hänsyn till kvävehalten kan inte någon allmän rekommendation ges om användning av viss hartstyp för visst ändamål. Hartser med höga halter FA har i allmänhet bäst egenskaper men är också dyrast. Om ett sådant harts eller ett billigare med lägre hållfasthet är lämpligast att använda är ofta en erfarenhetsfråga.

Lagringsföreskrifter för hartserna är  sex till tolv månader vid tio till trettio grader. Om produkten utsätts för högre temperatur än den angivna så förkortas hållbarheten. Hartserna ska lagras i tättslutande kärl och väl ventilerade utrymmen och skyddas från frost. Vissa av dem är också brandfarliga (vätska klass 3).

För dessa hartser gäller att de ej får komma ut till avlopp, vatten, och mark och därför bör hållas invallade vid lagring.

Härdning vid furanmetoden

Fenolfuranhartser härdas med syra. Denna utgörs av paratoluensulfonsyra (PTS-syra) (65-procentig) och/eller fosforsyra (75-procentig). Den pH-sänkning, som erhålls vid tillsats av syran, medför att hartset kondenserar, avger vatten och bildar en plast. Syran fungerar endast som katalysator och deltar inte i reaktionsprocessen. Syramängden före och efter härdning är därför lika.

Vill man ha kortare härdningstider kan detta åstadkommas på följande sätt:

• Ökning av syrans styrka. Detta kan åstadkommas genom att exempelvis använda vattenfri fosforpentoxid i stället för fosforsyra eller genom tillsättning av koncentrerad svavelsyra till PTS-syran.
• Ökning av mängden tillsatt syra.
• Höjning av sandtemperaturen genom förvärmning av nysanden.

Förvärmning av nysanden kan vara nödvändig under den kalla årstiden, om förvaringsfickorna utsätts för kyla. I annat fall kan härdningstiderna bli onormalt långa. Vid låg sandtemperatur härdar furanhartset långsamt och under ogynnsamma förhållanden kan härdningen helt utebli.

En tumregel är att en sänkning av sandtemperaturen med sju till tio grader ökar härdningstiden till det dubbla.

En ökad syratillsats kan i nödfall kompensera för en lägre sandtemperatur. Bäst är att hålla så jämn sandtemperatur som möjligt.

Vid härdning av furanhartser bildas vatten, som sätter ned hållfastheten. Full styrka på hållfasthet blir det först om vattnet avdunstat helt. Det är alltså viktigt att formväggarna får stå under tillräckligt lång tid så att vattenavdunstningen kan ske. Detta är speciellt lämpligt vid användning av furanhartsbindemedel med FA.

Härdarna kan som längst lagras i ett år. De bör förvaras i en rumstemperatur om tio till trettio grader. Av säkerhetsskäl ska de förvaras i tättslutande kärl och där det finns syraresistenta golv. Härdarna bör också lagras invallades då de inte får komma ut till avlopp, vatten eller mark.

För- och nackdelar

Fördelar

• Metoden ger starka formar och kärnor.
• Hög återvinningsgrad av den pågjutna sanden är möjlig.
• Formar och kärnor till grovt järn och stålgjutgods kan tillverkas.
• Bänktiden kan styras att bli både lång och kort med hjälp av syratillsatsen, detta är bra då man kan tillverka såväl små stora formar eller kärnor.
• Vid metoden krävs. inga isocyanater eller epoxi.

Nackdelar

• Ett problem är de lukter som uppstår vid kärntillverkning, avgjutning samt urslagning.
• Gaser som uppstår vid pågjutning av en furan form är negativa ur arbetsmiljösynpunkt (exempel är koloxid och svaveldioxid. Samtidigt sker ett utvecklingsarbete för att minska emissionerna.
• Rensningsproblem vid stålgjutning beroende på att varmsprickor kan uppstå.
• Priset på furfurylalkohol är väldigt ostabilt.
• Bör undvikas att blandas in i råsandssystem.

Det alkaliska fenolhartset har ett pH-värde på cirka 14. Hartserna som används är syrakatalyserade alkaliska fenol-resoler.

Förutom fenol och formaldehyd innehåller de kaliumhydroxid och/eller natriumhydroxid samt vatten. Fenolerna föreligger i huvudsak som kalium- alternativt natriumfenolater. Endast en mycket liten andel finns som fri fenol.

Sandens temperatur bör vara mellan 15 och 25ºC.

Bindemedelssystemen finns i tre varianter, Alfa-Set (Självstelnande – kallhärdande) respektive de 2 gashärdande Beta-Set och Resol/CO2.

För samtliga dessa tre hartser samt de härdare som används vid metoderna gäller att de inte får komma ut till avlopp, vatten, och mark. Därför bör de invallas vid lagring. Se också upp för risken att få kemiska brännskador då pH-värdet är cirka 14.

Vid den självstelnande kallhärdande (Alfa-Set) varianten tillsätts ett flytande harts samt härdare till sanden. Mängden harts är normalt cirka 1,5 procent räknat på sandvikten och mängden härdare 15 till 25 procent räknat på hartsvikten.

Som härdare till fenolhartserna vid Alfa-Set används följande typer av flytande estrar:

• Linjära estrar, till exempel diacetin, triacetin eller EGDA (etylenglykoldiacetat).
• Cykliska karbonatestrartill exempel etylenkarbonatestrar.

Efter formning får man en självhärdning av bindemedlet och modellen kan som regel dras efter tio minuter till ett par timmar beroende på vilken typ och mängd av den härdare som används.

Fördelar med Alfa-Set

Fungerar med alla förekommande sandsorter.

Har bra släppningsegenskaper.

Vid tillverkningen av formar och kärnor avger processen enbart lite lukt då ingen syra förekommer.

Ger inte upphov till gjutdefekter relaterade till kväve, svavel, och fosfor.

Lösningsmedlet för bindemedlet är vatten vilket underlättar rengöring och underhåll av utrustningarna.

Problemet med sprickgrader är mindre jämfört med Cold-box och SO2-metoderna.

Nackdelar med Alfa-Set

Finns risk för överaktivering av bentoniten.

Något begränsat regenererbar och återanvändbar. Om man återvinner bör man ha kontroll på glödgförlusten, siktanalys och hållfasthet.

Risk för kemiska brännskador då pH-värdet är så högt som 14.

Lagringsföreskrifter för Alfa-Set:

Hartsets lagringstid är maximalt åtta månader. Lagringstemperaturen bör ligga mellan 10 och 30 grader. Vid varmare förhållanden så påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas. Vidare bör hartsen lagras i slutna kärl i väl ventilerade utrymmen.

Lagringsföreskrifter för estrar (härdare):

Lagringstid är maximalt 24 månader. Lagringstemperaturen bör ligga mellan 10 och 30 grader.

Lagring vid högre temperatur eller i solljus kan förändra produktkvalitén. Ska skyddas från frost.

Utvecklingstrender Alfa-Set:

Man har tagit fram ett additiv för att förbättra sandåtervinningsegenskaperna och har också lyckats till viss del.

Vid gashärdning används metylformiat som härdare (Beta-Set). Den är gasformig i uppvärmt tillstånd.

Metoden kräver rening av utluften från processen. Mängden harts är normalt vid aluminiumgods 1,2 till 1,6 procent, vid järngjutgods 1,8 till 2,3 procent, vid stålgjutgods 2,0 till 2,5 procent. Tillsatsen av det gasformiga metylformiatet är normalt 0,4 till 0,5 procent av sandmängden.

Fördelar med Beta-Set:

• Vid tillverkningen av kärnorna är processen näst intill luktfri.
• Lösningsmedlet för bindemedlet är vatten vilket underlättar rengöring och underhåll av utrustningarna.
• Bindemedlet kan med fördel användas till alkaliska sander såsom olivin och kromit.
• Beta-Set innehåller varken kväve, svavel eller isocyanater.
• Hanteringen av bindemedlet kräver inte lagstadgad skyddsutbildning, vilket är fallet vid exempelvis Cold-Box och SO₂-metoderna.
•  Problemet med sprickgrader är mindre jämfört med Cold-box och SO₂-metoderna.

Nackdelar

• Bänktiden påverkas av luften (CO₂ och uttorkning).
• Utvecklar metylformiatgas vid kärntillverkningen vilket kräver rening av utsugsluften från härdningsprocessen.
• Metylformiatet kräver EX-klassning vilket i sin tur ställer högre krav på utrustningen i de delar av Beta-set-maskinen där metylformiatet förekommer.
• Processen ger bensen och koloxid vid avgjutningen, avkylning samt urslagning plus diverse PAH.
• Den sand som ej gjutits på, det vill säga sand från blåshuvud och kärnkassationer, har betydande miljöbelastning
• Begränsat regenererbar och återanvändbar.
• Finns risk för överaktivering av bentoniten.
• Sämre sönderfall vid aluminiumgods.

• Lägre produktionstakt i förhållande till Cold-box-metoden.
• Risk för kemiska brännskador då pH-värdet är så högt som 14.

Lagringsföreskrifter för Beta-Set:

Hartsets lagringstid är maximalt åtta månader. Lagringstemperaturen bör ligga mellan 10 och 30 grader. Vid varmare förhållanden så påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas. Vid lagring under tio grader påverkas viskositeten negativt. Vidare bör hartsen lagras i slutna kärl i väl ventilerade utrymmen.

Lagringstid för metylformiatet är maximalt 15 månader. Även där bör lagringstemperaturen ligga mellan 10 och 30 grader.

Metylformiat är extremt brandfarligt och bör lagras fritt från antändningskällor.

Även Resol som härdas med hjälp av koldioxid förekommer. Den så kallade Resol/CO₂-metoden finns idag från ett antal tillverkare.

Mängden harts är normalt cirka 2,5 procent på sandvikten. Mängden koldioxid är tre till sju gram per kärna. En utvecklingstrend för metoden är att man försöker förbättra den dåliga utgångshållfastheten.

Fördelar

• Vid tillverkningen av kärnorna är processen näst intill luktfri.
• Lösningsmedlet för bindemedlet är vatten vilket underlätta rengöring och underhåll av utrustningarna.
• Resol innehåller varken kväve, svavel eller isocyanater.
• Problemet med sprickgrader är mindre jämfört med Cold-box och SO₂-metoderna.
• Hanteringen av bindemedlet kräver ingen utbildning som är fallet vid exempelvis Cold-Box och SO₂-metoderna.
• Kräver ingen rening vid kärntillverkningen.

Nackdelar

• Bindemedlet är fuktkänsligt.
• Bänktiden påverkas av luften (CO₂ och uttorkning).
• Det är viktigt att kärnskjutsmaskinens storlek och kärnornas storlek balanseras något så när, då man inte vill att skjutluften ska passera igenom sandmassan för många gånger då detta torkar ut densamma.
• Låg utgångshållfasthet
• Kräver en noggrann placering av kärnlådans nipplar om det ska bli optimalt.
• Begränsat regenererbar och återanvändbar.
• Finns risk för överaktivering av bentoniten.
• De gaser som är intressanta ur arbetsmiljösynpunkt är vid gjutningen formaldehyd och kolmonoxid, vidare uppkommer en del lukter vid torkning av black samt vid avgjutning.
• Den sand som ej gjutits på, det vill säga sand från blåshuvud och kärnkassationer, har betydande miljöbelastning
• Risk för kemiska brännskador då pH-värdet är så högt som 14.

Lagringsföreskrifter

Hartsets lagringstid är maximalt sex månader. Lagringstemperatur bör vara mellan 10 och 25 grader. Vidare bör hartsen lagras i slutna kärl i väl ventilerade utrymmen.

Principen för Cold box-metoden är att ett bindemedel och en härdare blandas i sanden.

Både hartset och isocyanater tillsättes i sanden under pågående blandning. Dessa två komponenter ger ingen omedelbar härdning av massan. Tillsatserna är normalt 0,5 till 0,8 viktprocent vardera baserat på den torra sandvikten.

För att massan skall härda måste ett härdningsstimulerande ämne tillsättas, en katalysator, det vill säga aminen. Katalysatortillsatsen (aminen) är cirka 0,1 procent, eller ännu lägre i många fall, räknat på sandvikten.

De vanligaste använda amintyperna är TEA (trietylamin), och DMEA (dimetyletylamin) men även de ovanligare DMIA (dimetylisopropylamin), DMPA (dimetylpropylamin) används. Skillnaderna mellan dessa är vid vilken temperatur de förångas. En amin som har högre förångningspunkt kan vara en fördel om det är väldigt varmt inne i kärnmakeriet då den med den lägre förångningspunkten kan leda till att en del förångas i ledningen på vägen fram till gasaggregatet. Det kan i sin tur ge upphov till bubblor i systemet och påverkar då den mängd som ställts in på kärnmaskinen.

Aminerna skiljer sig också åt vad gäller flera andra egenskaper, till exempel hur snabb härdning de ger upphov till men också vad gäller flampunkter och luktemissioner. Aminen transporteras med hjälp av en bärgas, antingen CO₂,N_₂ eller luft genom kärnmassan då sker en snabb härdningsreaktion.

Observera att det är viktigt att den luft som används är torr.  Den sista som sker innan kärnlådan eller modellen dras (öppnas) är en genomblåsning av kärnmassan med torr luft. Detta görs dels för att transportera aminen till samtliga delar av kärnlådan så att kärnmassan blir helt genomhärdad överallt, dels för att avlägsna kvarvarande rester av överskottsamin från kärnmassan. Luften som används vid genomblåsningen transporterar överskottsamin till en skrubber som vanligtvis innehållande en syra. som tar hand om aminen.

Det går också att ha en skrubber med gasbrännare men väldigt få europeiska gjuterier använder det och i Sverige använder inget gjuteri den metoden.

Det är också viktigt att tänka på systemet utvecklar glanskol. Detta kan i sin tur påverka den mängd av glanskolgivare du sätter till råsanden då det annars finns en risk för glanskoldefekter. Aminerna kräver EX-klassning vilket i sin tur ställer högre krav på utrustningen i de delar av Cold box-maskinen där aminerna förekommer.

Fördelar

• Cold box kan användas  vid både form- och kärntillverkning.
• Metodens främsta fördelar är goda flytegenskaper, hög styrka och utmärkt sönderfall hos formar och kärnor efter gjutning, vilket underlättar urslagningen och rensningen av det gjutna godset.
• Metoden kännetecknas av hög härdningshastighet och hög hållfasthet hos den härdade massan.
• Massan har mycket goda flytbarhetsegenskaper jämfört med andra massor med kemiska bindemedelssystem. Detta medför att metoden kan användas för tillverkning av kärnor med mycket komplicerad utformning utan att det därför blir risk för gjutgodsfel.
• Cold box-sand som har gjutits på har ingen större inverkan på bentonit (upp till 60 procent inblandning).

Nackdelar

• Man behöver en skrubber för att ta hand om den överskottsamin som kommer med utsugsluften från kärnmaskinen.
• Risk för aminlukt vid kärnframställning men även vid avgjutning.
• Gaser vid avgjutning, avsvalning och urslagning. Mest skadliga ur arbetsmiljösynpunkt är bensen, kolmonoxid och PAH-kolväten.
• Risk för överkänslighet vid hudkontakt med isocyanater.
• Den sand som inte gjutits på, det vill säga sand från blåshuvud och kärnkassationer, har betydande miljöbelastning.
• Hanteringen av bindemedelsystemet kräver härdplastutbildning.
• Isocyanathärdaren är fuktkänslig.
• Coldboxbindemedlet bryts lätt ner i värme, och det gör urslagningen enkel. Samtidigt betyder det att risken för sprickgrader är stor (sprickgrader beror på att bindningarna mellan sandkornen bryts ner samtidigt som kvartskornen expanderar vid 575 grader – då bildas mellanrum där smältan kan tränga in). Sprickgrader åtgärdas till exempel genom att man inte packar sandkornen maximalt eller genom att additiver, som skapar expansionsmån mellan sandkornen, sätts till kärnmassan.

Lagringsföreskrifter

Bindemedlet för Cold box utgörs av ett fenolbaserat harts och bör lagras högst i sex månader med lagringstemperatur på 10 till 30 grader. Vid varmare förhållanden påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas. Vid temperaturer under tio grader påverkas viskositeten negativt. Vidare bör hartsen förvaras i slutna kärl och fritt från antändningskällor.

Som härdare används ett isocyanat, vanligen MDI (metylenbisfenyldisocyanat). Detta bör lagras maximalt i sex månader med en lagringstemperatur på 10 till 30 grader. Vid varmare förhållanden påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas.  Vidare bör hartsen förvaras i slutna kärl. MDI är fuktkänsligt och man måste se till att den inte påverkas av fukt. Den ska alltså lagras torrt.

För både harts och isocyanat gäller att de inte får komma ut till avlopp, vatten, och mark. Därför bör de vallas in vid lagring.

De olika amintyperna bör inte lagras längre än tolv månader. De ska förvaras i slutna kärl så att de inte påverkas av luft och fukt. Temperaturen får inte överstiga 50ºC. Aminerna får heller inte förvaras i  anslutning till antändningskällor och ska helst vallas in för att minska risken för förorening av vatten och mark. Aminerna bör lagras i väl ventilerade utrymmen.

Utvecklingstrender för Cold box-metoden

• Minskad aminförbrukning genom optimering av både hartsen och isocyanater.
• Minskad mängd lösningsmedel både på harts och isocyanat.
• Minskad fri formaldehyd samt fenol.
• Förbättring av egenskaper som bänktid och motstånd mot vatten och luftfuktighet (för att bättre klara av vattenblackning och lagring av den färdiga kärnan).

Epoxi-SO₂-metoden är en lämplig teknik vid tillverkning av kärnor i långa serier, där det ställs stora krav på flytbarhet hos formmassan och där kraven på de färdiga kärnornas hållfasthet är höga i likhet med Cold box. Det senare gäller till exempel vid maskinell urplockning och hantering av de färdiga kärnorna.

Vid tillverkning av kärnorna är processen i stort sett luktfri förutsatt att man har hela kärnmaskinen med tillhörande banor inkapslade. Gasen måste avdunsta i det inkapslade systemet i minst 30 minuter för att kärnorna inte ska lukta.

Systemet består av ett epoxihartssystem med en tillsats av cumenväteperoxid. Mängden harts beror på användning, krav på hållfasthet och önskade urslagningsegenskaper, men vid järngjutgods används normalt strax över en procent harts på sandvikten och mängden peroxid är 20 procent hartsvikten. För att härda massan blåses SO₂-gas genom kärnmassan. Teoretisk åtgång av svaveldioxid är 0,08 procent av sandvikten.

Genom tillsatsen av gasen genomgår sanden  en radikalpolymerisering och härdas mycket snabbt till en färdig kärna.

Fördelar

• Bindemedlet är lösningsmedelsfritt, och innehåller inget kväve, svavel eller isocyanat.
• Systemets främsta fördelar är att det är kall process som har en mycket lång bänktid på upp till en vecka, vilket gör att man inte behöver tömma maskiner över natt/helg.
• Snabbt härdningsförlopp där processtiden och egenskaperna i princip är de samma för såväl stor som liten kärna.
• Bindemedlet ger även ett bra sönderfall.
• Gasutveckling är låg tack vare att det går åt en mindre mängd bindemedel..
• Behovet av rengöring av blandaren är minimalt (även om det förekommer en del slitage).
• Blandning av epoximassa är tämligen okänslig mot långa blandningstider. Det är alltså ingen kompromiss mellan välblandad sand och andra egenskaper som exempelvis bänktidspåverkan.
• Lukten från epoxisystemet sätter sig inte i kläderna såsom är fallet med aminerna som används inom Cold box-metoden.

Nackdelar

• Lukten från svaveldioxid kan bli besvärande om man inte bygger in kärnmaskin och de efterföljande banorna ordentligt så att kärnorna får avdunsta gasen i minst 30 minuter.
• Systemet kräver en skrubber för omhändertagande av överskottet av SO₂ .
• Även om bindemedlet är svavelfritt kommer den färdiga kärnan innehålla svavel, som kommer från härdningen (reaktion mellan cumenväteperoxiden och svaveldioxiden).
• Systemet kräver precis som Cold box tillsatser för att motverka sprickgrader.
• Cumenväteperoxiden skall förvaras i egen byggnad utanför gjuteriet detta för att ha så lite som möjligt inne i gjuteriet då en brand i ett peroxidlager kan få ett häftigt förlopp med hög brinnhastighet. Utrustningen i rummen där man hanterar peroxiden måste vara EX-klassad.
• Kemikaliehanteringen kräver också att man förhåller sig till transport- och lagringsföreskrifter.
• Epoxi är allergiframkallande.
• Hanteringen av bindemedelsystemet kräver härdplastutbildning.
• Risk föreligger att en del lukter uppstår såväl inne som ute. Inomhus berör det  blacktorkning, avgjutning, avsvalning och  urslagning.
• Det finns gaser som innebära en negativ arbetsmiljö. De gaser som används i kärn och forrmtillverkning processen är SO2 och Kumen.  De gaser som kan bildas vid avgjutningen är SO2, kumen,  metylstyren, och bensen.
• Ytterligare en negativ aspekt är att det finns för få användare av metoden vilket gör att det är ett litet utbud av de kemikalier och den utrustning som behövs. Antalet användare verkar heller inte öka.

Lagringsföreskrifter

Lagringstid för hartset är sex månader. Hartsen klarar en lagringstemperatur på mellan minus 10 och plus 40 grader, men i praktiken bör temperaturen vara 20-25ºC. Annars påverkas doseringen. Produkten bör heller inte utsättas för direkt solljus.

Cumenväteperoxiden bör lagras i en temperatur av tio till tjugo grader under maximalt tre månader. Lagringen ska dessutom ske i en egen byggnad utanför gjuteriet.

Lagringstiden för svaveldioxid är obegränsad. Temperaturen får inte överstiga 50 grader och den kan därför vara lämplig att lagra utomhus.

För produkterna i Epoxi-SO₂-metoden gäller att de ej får komma ut till avlopp, vatten och mark. Därför bör de hållas invallade under lagring. Vad gäller just svaveldioxiden så förgasas den om den läcker ut.

Skalsand är en sand som är belagd med ett tunt skikt av fenolharts. Varje sandkorn har ett hartsskikt med en tjocklek på cirka 3μm, som täcker hela ytan. Hartsandelen uppgår vanligen till 2 till 4,5 procent av sandvikten.

I Tyskland kallas sanden fortfarande Croningsand efter uppfinnaren Johannes Croning . Som härdare används hexametylentetramin (hexamin), som avges i samband med att sanden ”bakas”, det vill säga värms upp till mellan 120 och 140ºC. I sanden finns det också tillsatt ett släppningsmedel, oftast kalciumstearat.

Skalsand tillverkas med antingen en ”varm” (30 – 70ºC) eller ”het” (120-140ºC) process.

I den varma processen blandas sandkornen i en flytande lösning av harts och lösningsmedel. Därefter får lösningsmedlet avdunsta under omrörning. Denna process är i dag inte längre så vanligt.

I den heta processen sätts harts (i form av korn eller flingor) till upphettad sand. Hartset smälter, täcker sandkornens ytor och får efter avkylning en fast struktur.

Produktionen av skalsand sker i centrala anläggningar. Skalsanden levereras sedan i färdig form till gjuterierna.

För att tillverka skalsand används vanligtvis kvarts-fältspatssand. Helst bör sanden ha en kornform som är rund eller kantrund. Även ren kvartssand samt kromit- och zirkonsand kan användas.

Det harts som används är novolackharts. Härdaren, hexametylentetramin (hexamin), är en kemisk förening mellan formaldehyd och ammoniak. Då hexaminet vid skaltillverkningen upphettas till över 120ºC sönderdelas det i formaldehyd och ammoniak. Formaldehyden reagerar med det på sandkornen befintliga, och delvis smälta, novolackhartset. Det  bildar då tvärbryggor mellan hartsmolekylerna, varvid systemet härdar.

Skalsand levereras i stor utsträckning till gjuterierna i bulkbil. Vid transport av skalsand samt vid lossning av bulkbil måste stor försiktighet iakttagas, så att hartset inte nöts av från sandkornen.

Fördelar

• Kräver ingen utbildning till skillnad från metoderna för Cold box och Epoxi-SO₂.
• Sandens flytbarhet.
• Kärnornas mekaniska och termiska hållfasthet är mycket höga.
• Varken svavel eller isocyanat förekommer.
• Bra sönderfall.
• Kräver inte alltid blackning då bra ytor kan uppnås ändå.
• Då skalsanden köps färdig i de flesta fall krävs ingen blandningsutrustning.
• Hantering av lättare kärnor.

Nackdelar

• Personalen måste jobba med varma kärnlådor och kärnor.
• Betydande luktgenerering vid kärntillverkning, avgjutning och avsvalning
• Gaser vid avgjutning och avsvalning. De problematiska ur arbetsmiljösynpunkt är formaldehyd och kolmonoxid.
• Risk finns att sanden eventuellt kan börja härda inne i blåshuvudet.
• Risk för kväverelaterade defekter hos gjutgodset föreligger.
• Större kostnader för kärnlådor.
• Betydande miljöbelastning vid deponering av kärnkassationerna.
• Besvärligare rengöring av kärnlådor.

Saker att tänka på

• Undvik om möjligt en ojämn värmefördelning i kärnlådorna. Använd termostatreglerad kärnlådetemperatur.
• Härdningstemperaturer över 300ºC bör undvikas.
• Välj ett kärnlim med låg gasutveckling.

Utvecklingstrender

För att motverka blåsor på känsligt gods i järn och stålgjuterier tillssätts numera också en del resolaktivator vid tillverkningen. Det minskar andelen hexamin vilket medför att kväveinnehållet i den färdiga skalsanden minskar. Det gör i sin tur att det blir färre kväverelaterade defekter på gjutgodset. Denna förändring är även positiv ur luktsynpunkt vid kärntillverkningen.

Andra utvecklingar av metoden är annars mest kopplade till miljörelaterade aspekter.

Hot box-metoden används vid tillverkning av kärnor i långa serier. Fördelen med Hot Box är att sanden och bindemedlet kan förblandas och vänta mycket länge utan att någon härdning startar.

Tillverkningen av Hot box-kärnor sker genom att en uppvärmd kärnlåda fylls med hartsbunden sand. Först när sanden kommer i kontakt med den uppvärmda kärnlådan, och värms till 200 – 250ºC, härdar massan snabbt. Med metoden finns viss risk att tunna partier blir sönderbrända eller att tjockare partier förblir ohärdade.

För att motverka ovanstående problem finns det fyra saker att tänka på.

• Undvik om möjligt en ojämn värmefördelning.
• Använd termostatreglerad kärnlådetemperatur.
• Härdningstemperaturer över 250ºC bör undvikas.
• Se till att skjutplattan är vattenkyld.

Fördelar

• Att arbeta med Hot box-metoden kräver ingen speciell skyddsutbildning till skillnad mot vissa andra metoder.
• Hög hållfasthet.
• Det är möjligt att använda upp till 90 procent regenererad sand.
• Pågjuten sand, som använts för Hot Box-metoden, har ingen större inverkan på bentoniten så länge inblandningen ligger under 60 procent.

Nackdelar

• Personalen behöver jobbar med varma kärnlådor och kärnor.
• Det är betydande luktgenerering vid kärntillverkning, avgjutning och avsvalning.
• Med metoden finns viss risk att tunna partier blir sönderbrända eller att tjockare partier förblir ohärdade.
• Besvärligare rengöring av kärnlådor.
• Det uppstår gaser vid avgjutning och avsvalning. De problematiska ur arbetsmiljösynpunkt är formaldehyd, furfurylalkohol, fenol och kolmonoxid.
• Ohärdad sand, det vill säga sand från blåshuvud, har en betydande miljöbelastning.
• Större kostnader för kärnlådor.

Warm box

En snarlik variant av Hot box-metoden kallas för Warm box. Den fungerar i princip på samma sätt men med några skillnader.  Den största är att kärnlådans temperatur endast är 150- 180ºC. Det gör att energianvändning är cirka 20 procent lägre jämfört med Hot box. Dessutom är Warm box fri från fenoler och har en väldigt låg halt av fri formaldehyd vilket förstås är en fördel miljömässigt sätt jämfört med Hot box.

Lagringsföreskrifter

Vid Hot box-metoden används ett fenolhartsbindemedel. Vanligtvis uppgår halten bindemedel till 1,5 – 2 procent räknat på sandmängden.Lagringstiden för detta bindemedel är tre till sex månader beroende på typ. Lagringstemperatur är 10 till 30 grader. Vid varmare förhållanden påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas. Vidare bör de lagras i slutna kärl.

Massan innehåller också en härdare. Den tillsätts med en mängd av 20 till 30 procent i förhållande till mängden bindemedel. Lagringstiden för härdaren är tolv månader. Den ska förvaras vid 10 till 30 grader. Vid varmare förhållanden påverkas produkternas egenskaper och lagringstiden förkortas. Vidare bör de lagras i slutna kärl.

Vissa av dessa komponenter är frostkänsliga. Det är också viktigt att känna till att vissa av komponenterna bör lagras fritt från antändningskällor.

Utvecklingstrender

Två av tre tillfrågade tillverkare säger sig inte utveckla metoderna då den får allt mindre betydelse. Den tredje tillverkaren jobbar med att minska halten av  fri formaldehyd i hartset samt förbättra hartsets lagringstid.

Ett bindemedel baserat på organiska proteiner kombinerade med oorganiska metalloxider. Detta bindemedel har utvecklats i USA utgående från erfarenheter inom livsmedelsindustrin där polymerer, framställda av bland annat proteiner, är ”vardagsmat”.

Bindemedlet levereras i pulverform och blandas tillsammans med små mängder vatten ned i kall kärnsand. Det är också möjligt att klä sandkorn med bindemedlet och därefter lagra dem. När vattnet dunstas av, exempelvis med varmluft eller mikrovågor, byggs bindstyrkan sedan upp till en hållbar kärna. Sönderfallet styrs med innehållet av metalloxider. Det går också att lösa upp kärnan i vatten. Systemet är reversibelt. Kasserade kärnor kan återanvändas utan tillsats av nytt bindemedel.

Vattenglas är ett oorganiskt bindemdel som är vanligt förekommande.Flera skäl talar för att det kommer att vara så även i framtiden.

Ett skäl är att vattenglas uppvisar förhållandevis goda egenskaper med hänsyn till såväl inre som yttre miljö. Ett annat är att vattenglasbindemedel i jämförelse med organiska bindemedel så som Cold-box och SO₂-metoden inte ger några sprickgrader och har ett gynnsamt pris.

Vattenglas består av natriumsilikat (Na₂O x SiO₂) och vatten. Egenskaperna beror i första hand av:

• Molförhållandet SiO₂/Na₂O.
• Viskositeten i förhållande till densiteten.

Molförhållandet, även benämnt ratiot, uppgår normalt till mellan 2 och 3 för de vattenglas som används i gjuterierna. Detta innebär att för varje molekyl Na₂O så krävs två till tre molekyler av SiO_2.  Molförhållandet har inverkan på härdningsförloppet. Generellt sett ökar reaktionshastigheten och minskar hållfastheten med ett ökat molförhållande.

Om vattenglasets molförhållande är under 2 så behöver det transportmärkas som farligt gods men inte annars.

PH-värdet ligger mellan 12,1-12,5 vilket är intressant med tanke på hur vattenglas påverkar bentonitsystem då risk för överaktivering av bentoniten föreligger.

Viskositeten hos en vattenglaslösning är i allmänhet hög. Lösningen är med andra ord trögflytande. En låg viskositet är fördelaktig, eftersom massan blir mer lättblandad och bindemedelshalten kan minskas. Detta gynnar i sin tur urslagnings- och återvinningsegenskaperna hos massan, som annars är problematiska. Vattenglasets konsistens, eller vattenhalt, bör vara just sådan att vattenglaset väter och klibbar fast mot sandkornens ytor samt med lätthet bildar bindemedelsbryggor, som ger hållfasthet hos formen respektive kärnan. Ett optimalt vattenglas har hög densitet och samtidigt låg viskositet.

Vattenglasbindemedel är unika genom att de kan härdas på flera olika sätt och genom att härdningssättet kan anpassas till olika produktionshastigheter och storlekar på formar och kärnor. Sammansättningen på bindemedlet bör dock alltid anpassas till vald härdningsmetod för att optimala egenskaper skall uppnås. Tillsatsen av vattenglas är två till fyra procent av sandvikten.

De olika härdningsmetoderna går att läsa mer om i respektive avsnitt:

• Härdning med CO₂
• Härdning med ester
• Torkningshärdning

Lagringföreskrifter

Vattenglas kan förvaras i ett år under förutsättning att ämnet förvaras i kärl med väl tillslutna lock. Annars släpps koldioxid ut i luften och viss avdunstning sker vilket påverkar produktens egenskaper.

Vattenglas ska skyddas mot frost och förvaras i en temperatur av 5 till 30 grader.

Vattenglas får inte komma ut till avlopp, vatten och mark. Därför bör ämnet vara invallat vid lagring.

Vid lagring och hantering är det viktigt att se upp för risken att få vattenglas i ögonen då PH-värdet är högt – cirka tolv.

Utvecklingstrender

Det pågår en utveckling mot att ta fram vattenglas som en ”allt-i-ett–produkt” där såväl sönderfallsmedel som flytbarhetsmedel ingår, detta för att underlätta blandningen av sandmassan. Detta har gjorts med olika resultat som följd, till exempel  separationer av de olika delarna i produkten under lagringen, men utvecklingen fortsätter.

Metoden att härda med koldioxidanvänds vanligtvis för kärnor. Vattenglaset härdar genom att koldioxiden tas upp i bindningen och kiseldioxiden faller ut som en gel.

Vid goda gasningsförhållanden åtgår ungefär en procent koldioxid  i förhållande till massavikten. I annat fall kan det gå åt betydligt mer men man bör ej överstiga tre procent av massavikten.

Vid härdning med koldioxid ger lågt molförhållande, 2 – 2,3, en trög härdningsreaktion med  liten risk för överhärdning. Det ger goda förvaringsegenskaper för formar men dåliga urslagningsegenskaper.

Ett högt molförhållande, 2,7 – 3, ger motsatta förhållanden, men enligt tillverkarna så är det ej så vanligt med ett molförhållande  över 2,5.

Exempel på speciella förfaranden för att uppnå jämn gasning är:

• Gasning först med högt tryck, så att gasen sprids i formen, och sedan med lågt tryck så att formdelarna närmast utblåsningshålen också bli gasade.
• Gasning med hjälp av ett stort antal sonder fastsatta på en gasningsplatta. Sondernas djup anpassas i varje enskilt fall till fickor i formen samt till formens eller kärnlådans ytgeometri. Metoden används vid seriegods.
• Gasning in genom ventiler underifrån och från sidan av kärnlådan.

Det förekommer också härdning med lans vid korta serier och stora kärnor och formar.

Gasningsgraden skall anpassas både  till vattenglasets egenskaper och till frågan om formen skall användas direkt eller först efter en viss tid. Vid högt molförhållande och om formarna skall förvaras lång tid efter tillverkningen bör man undergasa. Vid motsatta förhållanden är starkare gasning mer fördelaktigt.

Det är viktigt att kärnskjutsmaskinens storlek och kärnornas storlek balanseras något så när vid användande av metoden. Om skjutluften får passera igenom sandmassan för många gånger torkar detta ut den.

Fördelar

• Kräver ingen utbildning.
• Ingen luktgenerering vid kärntillverkning, avgjutning, avsvalning eller urslagning.
• Ingen gasutveckling vid avgjutning eller avsvalning.
• Mycket låg miljöbelastning vid deponering.
• Möjlighet till alternativ användning av avfallssanden.
• Kräver ingen rening vid användandet.
• Billigt bindemedel.
• Lösningsmedlet för bindemedlet är vatten vilket underlättar rengöring
• och underhåll av utrustningarna.
• Innehåller inga organiska material.
• Sprickgrader förekommer ej.
• Kärnlådor i olika material kan användas då metoden är kall.

Nackdelar

• Högt pH-värde medför risk för ögonskador.
• Bänktiden påverkas av luften (CO₂ och uttorkning).
• Låg utgångshållfasthet
• Begränsat regenererbar och återanvändbar.
• Finns risk för överaktivering av bentonit.
• Dålig termisk nedbrytning men detta kan förbättras genom tillsättning av sönderfallsmedel.
• Dålig flytbarhet, men detta kan förbättras genom tillsättning av ett flytbarhetsmedel.
• Spritblackning, vattenblackning är endast användbart i undantagsfall.
• De färdiga kärnornas lagring påverkas av såväl CO₂ i luften som luftfuktigheten då kärnorna kan ta upp vatten från luften.

Vattenglaset som används vid härdning med ester bör ha ett molförhållande på cirka 2,4. De idag mest använda härdarna är olika typer av estrar som kan blandas i formmassan.

Denna härdningsmetod är speciellt lämplig vid tillverkning av stora formar, där gasgenomträngligheten är begränsad.

Sandens temperatur bör vara mellan 15 och 25 grader.

Principen för esterhärdning är att en sönderdelning av estern sker när den kommer i kontakt med det alkaliska silikatet. Detta leder till att pH-värdet sjunker och kiseldioxider faller ut som en gel.

Fördelar

• Jämfört med härdning med koldioxid ger esterhärdning jämnare härdningsförlopp, bättre urslagningsegenskaper, mindre problem med gasfördelning och mer lagringsokänsliga kärnor.  Kräver ingen utbildning.
• Vid kärntillverkning, avgjutning och avsvalning är processen näst intill luktfri.
• Det sker nästan ingen gasutveckling vid avgjutning eller avsvalning.
• Kärnlådor i olika material kan användas då metoden är kall.

Nackdelar

• Jämfört med härdning med koldioxid tar det längre tid innan härdningen är fullständig. Esterhärdning är också mer miljöbelastande.
•  Högt pH-värde med risk för ögonskador.
• Begränsat regenererbar och återanvändbar.
• Finns en risk för överaktivering av bentonit.

Lagringsföreskrifter för estrar (härdare)

• Lagringstiden är maximalt 24 månader.
• Lagringstemperaturen är 10-30ºC.
• Vid högre temperatur eller i solljus kan produktkvaliteten förändras.
• Måste skyddas mot frost.                               .
• Estrarna får ej komma ut till avlopp, vatten eller mark och bör därför lagras invallade.

Genom att torka vattenglaset med tillförsel av värme erhålls mycket höga hållfasthetsvärden hos den härdade massan.

Denna härdningsmetod kan göras på olika sätt, exempelvis  genom varma kärnlådor, uppvärmd luft eller mikrovågor (ibland kombinerat med koldioxidgasning i centrum av kärnan.)

Fördelar

• Kräver ingen utbildning.
• Det genereras ingen lukt vid kärntillverkning, avgjutning, avsvalning eller urslagning.
• Ingen gasutveckling vid avgjutning eller avsvalning.
• Mycket låg miljöbelastning vid deponering.
• Möjlighet till alternativ användning av avfallssanden.
• Kräver ingen rening vid användandet.
• Billigt bindemedel.
•  Lösningsmedlet för bindemedlet är vatten vilket underlättar rengöring och underhåll av utrustningarna.
• Innehåller inga organiska material.
• Sprickgrader förekommer ej.
• Mindre risk för överhärdning föreligger då man inte alltid använder koldioxid, och om man gör det så är det inte så mycket gas som används.

Nackdelar

• Högt pH-värde medför risk för ögonskador.
• Bänktiden påverkas av luften (CO₂ och uttorkning).
• Begränsat regenererbar och återanvändbar.
• Finns risk för överaktivering av bentonit.
• Dålig termisk nedbrytning men detta kan förbättras genom tillsättning av sönderfallsmedel.
• Dålig flytbarhet, men detta kan förbättras genom tillsättning av ett flytbarhetsmedel.
• Spritblackning, vattenblackning är endast användbart i undantagsfall.
• De färdiga kärnornas lagring påverkas av såväl CO₂ i luften som luftfuktigheten då kärnorna kan ta upp vatten från luften.
• Större kostnader för kärnlådor.
• Ökat energibehov då kärnlådorna är uppvärmda samt att man torkar med varm luft eller mikrovågor.

Viktigt att tänka på:

• Undvik om möjligt en ojämn värmefördelning i kärnlådorna.
• Använd termostatreglerad kärnlådetemperatur.
• Se till att skjutplattan är vattenkyld.

Det är också viktigt att kärnskjutsmaskinens storlek och kärnornas storlek balanseras något så när vid användande av metoden. Om skjutluften får passera igenom sandmassan för många gånger torkar detta ut den.

Syftet med modifierade vattenglassystem är att dra nytta av den rena processteknik vattenglaset erbjuder.

Det finns idag ett antal leverantörer av dessa material, och det finns ett intresse från flera stora gjuteriet för sådana system. Intresset beror främst på de förbättrade egenskaper kring arbetsmiljö och miljö samt minskad risk för brand och explosionsrisker.

Hitintills är de flesta av dessa system framtagna för metallgjutning.

Utvecklingstrender

Genom att tillsätta olika typer av promotorer förbättras olika egenskaper.

Prover och experiment pågår för att även kunna använda dessa för såväl järn som stålgjutning, samtidigt som man jobbar med att förbättra deras egenskaper för flytbarhet, lagring och urslagning.

Vid vaxursmältningsmetoden används som bindemedel en lösning av etylsilikat, vatten, alkohol plus en mindre mängd saltsyra.

Etylsilikatet, som används, är tetraetylortosilikat. Följande ungefärliga sammansättning brukar användas:

• Tetraetylortosilikat             75 volymprocent
• Alkohol                                  18 volymprocent
• Vatten                                    7 volymprocent

Vid cementmetoden används cement, vatten och en härdare, vanligen kalciumklorid eller melass (biprodukt vid sockertillverkning). Cementen som används är vanlig standardcement, som är en blandning av huvudsakligen kalcium- och aluminiumsilikat.

Cementmetoden används huvudsakligen för grovt gods av stål och gjutjärn. Nackdelarna med metoden är att massan är svårpackad, klistrar lätt mot modellen, sönderfaller dåligt och att sanden är besvärlig att återvinna. En fördel med metoden är låg bindemedelskostnad. Ytterligare en fördel är att formväggen får stor stabilitet.

Metoden används numera endast i begränsad omfattning i Ryssland.

Furan- och vattenglasmetoderna har i stor utsträckning ersatt cementmetoden.

En tysk leverantör har ett bindemedel för kärnor baserat på ett oorganiskt salt. Bindemedlet lanserades tillsammans med en nyutvecklad kärnskjutmaskin från samma leverantör.

Kärnor tillverkade med detta bindemedel byggs upp av sand, ett salt och vatten. Vattnet avgår i och med att värme tillförs, varvid bindstyrka erhålls.

Detta innebär att kärnsanden inte innehåller några organiska ämnen. Den ger därför inte upphov till några nedbrytningsprodukter som ställer till problem vid pågjutningen. Efteråt kan godset sköljas med vatten, kärnbindemedlet förlorar sin styrka och sanden plockas enkelt ut ur godset. Därefter är både sand och salt redo att återanvändas.

Det negativa med detta bindemedel är att det inte fungerar bra tillsammans med bentonit då det innehåller salter.