2.1. Модельные материалы

На первоначальной стадии освоения ЛГМ использовались пли­ты из пенополистирола повышенной плотности, из которых путем механической обработки получали модели. Так, например, модель скульптуры «Пегас» была изготовлена из пенополистирола плот­ностью 80-110 кг/м3 [1]. В Англии для изготовления моделей ис­пользовался полистирол марки Styrosell, который применялся для изготовления изделий для строительства, бытовой техники и упа­ковки [2]. При освоении ЛГМ для производства промышленных отливок были сделаны попытки использовать для изготовления моделей и другие пенопласты, такие как пенополиуретан, фторо­пласт и пенополиэтилен. Однако применение этих материалов для получения отливок привело к значительному ухудшению их качест­ва из-за появления на поверхности большого количества коксового остатка, образующегося после газификации модели. В табл. 2.1 пред­ставлены результаты исследования термофизических свойств пе – нопластов при высоких температурах.

Таблица 2.1

Термофизические свойства пенопластов

Свойства пенопласта

Пенопо- листирол

Пенопо­лиуретан

Фторопласт ФРП-1

Температура начала полимери­зации, 0C

120

190

140

Температура начала испарения (деполимеризации), 0C

320

230

400

Температура горения, 0C

560

580

780

Окончание табл. 2.1

Свойства пенопласта

Пенопо­листирол

Пенопо­лиуретан

Фторопласт ФРП-1

Негазифицируемый остаток, %

0,015

14

44

Удельное газовыделение при

105

730

600

1000 °С, см3/г

Время горения образца, с

10-20

30-40

65-110

Из данных табл. 2.1 следует, что пенополистирол в наибольшей степени удовлетворяет требованиям к пенопластам для изготовле­ния газифицируемых моделей [3]. Однако применение обычного пенополистирола также не обеспечивало требуемого качества от­ливок. Опыт освоения ЛГМ позволил сформулировать перечень основных требований к материалу для газифицируемых моделей:

• при заливке формы металлом модель должна полностью га­зифицироваться с минимальным поглощением тепла;

• материал при низкой плотности должен обладать достаточ­ной механической прочностью при изготовлении модели, ее транспортировке и формовке;

• материал должен обеспечить получение качественной поверх­ности модели при ее тепловой или механической обработке;

• модели не должны терять свои технологические, механиче­ские и теплофизические свойства при длительном хранении;

• материал для производства моделей и отливок не должен быть дорогим и токсичным.

Исследовательские работы по созданию специального модель­ного материала проводились в разных странах на основе улучше­ния свойств полистирола. В 1962 г. фирмой «BASF» (ФРГ) был получен патент под названием Exporit, который был разработан по заданию фирмы «Grunweid and Hartman». Модели из этого мате­риала при объемной массе 15-20 кг/м3 имели качественную по­верхность, достаточно высокую прочность и повышенную ско­рость газификации [4]. Английская фирма «Shell» первоначально поставляла полистирол для газифицируемых моделей марки Mon – topire, а затем специальный полистирол марки Stirofoom, извест­ный как «голубой полистирол», который наряду с хорошими тех­нологическими свойствами обладал высокой скоростью газифика­ции при температурах заливки форм металлом и незначительным коксовым остатком по сравнению с уже известными марками по­листирола [7]. В ГДР фирма «УЕВ Chemishe Werke Buna» постав­ляла для литейного производства полистирол марки Polystyrol – shaum. В США для газифицируемых моделей фирма «Dow Chemi­cal» разработала сополимер стирола и акрилонитрила взамен ши­роко известной марки Stirofoom. Специальный полистирол для мо­делей поставляли фирмы Японии, Чехословакии и других стран. В настоящее время фирма «Агсо» поставляет специальный поли­стирол марок 271Г и 271Х, фирма «BASF»—VR 520, VR 555, VR 2555, фирма «CDF Chimia» — 25С и 35С. Все специальные марки поли­стирола для изготовления моделей отличаются от строительного более высоким содержанием порообразователя (до 7-9,5 %), спе­циальными присадками, которые увеличивают скорость газифика­ции модели под воздействием температуры заливаемого в форму металла (красители, радикалообразуюгцие вещества и т. д.), рав­номерным гранулометрическим составом. Это позволяет изготав­ливать модели сложной конфигурации с толщиной стенок до 2 мм и объемной их плотностью 17-22 кг/м3.

В СССР для изготовления моделей первоначально применялся строительный полистирол марки ПСБ-А. В 1966 г. ВНИИПластпо – лимер (г. Ленинград) разработал специальный полистирол марки ПСВ-Л, производство которого было освоено Кусковским хим­комбинатом (г. Москва), а позднее его производство было органи­зовано на Узловском комбинате АО «Пластик» (Тульская обл.) [6].

В 1989 г. ВНИИПластполимер разработал новый литейный ма­териал на основе полистирола трех марок: ПСВ-ГМ409, ПСВ – ГМ406 и ПСВ-ГМ404, которые прошли испытание в литейных ла­бораториях ВНИИТАвтопрома (г. Москва) и ВПКТИСтройдор- маша (г. Киев). Промышленное производство нового литейного по­листирола было организовано на химическом комбинате в г. Шев­ченко (Казахстан).

Применение специальных марок полистирола для изготовления моделей значительно улучшило их качество, однако не исключило причины образования специфических дефектов на поверхности отли­вок из чугуна в виде раковин, заполненных коксовым остатком.

Поэтому многие фирмы продолжали работы по созданию но­вых полимерных материалов для моделей и улучшению уже суще­ствующих марок литейного полистирола. В Японии был получен материал для моделей, который представлял собой сополимер циклопентаноксида, циклогексаноксида и циклогептаноксида или

Изобутиленоксида при взаимодействии с CO2. Структурная фор­мула нового материала имеет следующее строение:

Где п — 3, 4 или 5.

CH3 I

CH2-C-OH CHi

Сополимер на основе изобутиленоксида имеет структуру:

В обеих формулах * = 30(Н350, молекулярная масса поликар­бонатов 30 000-50 ООО. Температура стеклования 125 0C5 начала деполимеризации 280 0C. Содержание порообразователя в грану­лах поликарбонатов (н-пентана) 7 %. Гранулы вспенивались в ат­мосфере пара при нормальном давлении до объемной массы 0,03 г/см3. При повторном вспенивании их объемная масса умень­шалась до 0,016 г/см. Промышленное испытание нового материа­ла при производстве отливок из чугуна показало отсутствие на их поверхности следов коксового остатка.

В [9] сообщается о применении для моделей пенополипропиле – на, который был опробован при получении отливок из стали. Ре­зультаты исследования качества отливок показали значительное снижение дефектов, связанных с остатками неполной газификации материала модели. Новый материал был рекомендован для произ­водства отливок из чугуна и стали.

CH-CH-OH

\ /

(CH2)tt

Особый интерес у производителей отливок вызвало сообщение фирмы «Dow Chemical» (США), сделанное в 1986 г., о разработке нового материала для моделей на основе полиметилметакрилата (PMMA) [10]. Работа была выполнена по заданию фирмы «Auto Alloys Foundries». Испытание нового материала проводила фирма «General Motors». Сравнительные испытания PMMA при различных скоростях нагрева до температуры 1400 0C представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Сравнительные результаты испытания материалов

Наименование модельного материала и условия эксперимента

Остаток по массе при скорости нагрева, %

1 °С/с

700 °С/с

Пенополистирол

6,2

15,1

Сополимер стирола с акрилонитридом

9,8

11,55

Полиметилметакрилат (PMMA)

0,3

18

Выдержка при температуре в процессе

6,7

18

Опыта, с

Атмосфера при опыте

Воздух

Азот

Из данных, приведенных в табл. 2.2, следует, что PMMA обладает высокой скоростью газификации при минимальном кокосовом остатке, который в 20 раз меньше, чем у литейного полистирола. Такие свойства нового материала вытекают из строения его струк­туры:

Наличие в структуре связанного кислорода и отсутствие тяже­лых радикалов способствуют быстрому протеканию процесса вы­сокотемпературной окислительной термодеструкции PMMA с вы­делением главным образом газов при незначительном количестве свободного углерода. Это было подтверждено натурными испыта­ниями при получении отливок из углеродистой стали. При объем­ной плотности модели 20-27 кг/м3 объемное науглероживание стальной отливки не превышало 0,05 %, в то время как при литье по моделям из пенополистирола объемное науглероживание до­стигало 0,3 %. Вспенивающий агент (углеводородное соединение) имеет меньшую подвижность, чем пентан, и не выделяется из гра­нул так быстро, как пентан из пенополистирола, что увеличивает сроки хранения и уменьшает усадку моделей после их изготовле­ния. Усадка моделей из PMMA составляет 0,2-0,4 %, из пенополи­стирола 0,7-1,0 %. Исходный материал может храниться до 6 ме­сяцев без существенной потери вспенивающего агента в гранулах.

После вспенивания гранулы могут храниться в нормальных усло­виях несколько дней до их применения для изготовления моделей. Температура стеклования PMMA на 5 0C выше, чем у полистирола, поэтому вспенивание гранул необходимо производить при более высокой температуре. Однако PMMA имеет существенные недо­статки: модели из него отличаются низкой механической прочно­стью и легко деформируются под нагрузкой, поэтому плотность моделей необходимо повышать в 2-3 раза, а это приводит к увели­чению объема выделения газов, а также свободного углерода. Вы­сокая скорость термодеструкции моделей из PMMA при производ­стве отливок из черных металлов затрудняет применение форм из кварцевого сухого песка, т. к. при заливке формы металлом обра – ^ зуется значительный зазор между расплавом и моделью, что при – \j водит к обвалу формы. Поэтому форма и покрытие должны иметь высокую газопроницаемость для предотвращения выброса металла Jf; из формы во время ее заливки. Необходимо применять сифонный подвод металла, повышенный гидростатический напор металла Ik1 при его заливке в форму и вакуум. Следует также учитывать, что ‘iff стоимость PMMA в 8-10 раз выше стоимости литейного пенополи – Ш, стирола. В результате по вышеуказанным причинам новый мате – риал еще не получил широкого применения для производства мо – делей. Однако, по данным фирмы «Saplest» (Франция), добавление {t в небольших количествах PMMA в литейный пенополистирол су – ^tlii щественно улучшает термодеструкционные свойства моделей и приводит к улучшению качества отливок из чугуна. Работы в этом направлении привели к разработке и поставке новых материалов для изготовления моделей. J1 Китайская фирма «Castchem LTD, Mrs. Ling Hung» поставляет для изготовления моделей сополимер Cast Pro™, состоящий из полиметилметакрилата (70 %) и полистирола (30 %). Основные свойства данного материала приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Физико-механические свойства сополимера CastPro

Марка, сополи­мера

Зернистость,

MM

Количество

Вспенивателя, %

Рекомендуемая плотность, г/л

Количество смазки, %

СР2

0,466-0,605

8,0-9,5

20-23

0,32

СРЗ

0,358-0,466

8,5-9,5

21-25

0,32

СР4

0,284-0,358

9,5-10

23-28

0,32

По данным фирмы, материал рекомендуется для производства отливок из чугуна и всех марок стали. Он значительно снижает затраты на производство отливок и повышает их качество. При его применении происходит реальное снижение дефектов, обуслов­ленных углеродом, и улучшается качество поверхности отливок. Материал поставляется в металлических бочках в полиэтиленовой упаковке по 125 кг. Срок годности материала 6 месяцев при тем­пературе хранения не выше 10 0C.

Японская фирма «ISP Corporation» поставляет на рынок для из­готовления моделей сополимер двух марок: Cleapor CL500A и Cleapor CL600A, содержащий 70 % полиметилметакрилата и 30 % полистирола. Гранулометрический состав 0,5-0,4 мм. Рекомен­дуемая плотность моделей 22-28 кг/м3. Основное назначение — для применения моделей при производстве отливок из чугуна и стали с целью значительного снижения влияния углерода термоде­струкции модели на качество отливок. Материал поставляется в металлических бочках по 125 кг. По своим технологическим и физическим параметрам мало чем отличается от Cast Pro, постав­ляемого китайской фирмой.

Фирмой «Foseco» разработан новый материал для изготовления моделей — сополимер марки НМС-30, который является химиче­ской смесью мономеров (70 % полистирола и 30 % полиметил­метакрилата), заключенных в одной грануле. По данным фирмы, он имеет формовочные характеристики, близкие пенополистиролу, хорошие механические свойства, обеспечивает чистую поверх­ность отливок, снижает и устраняет в большинстве случаев угле­родистые дефекты на отливках из чугуна и стали, имеет значи­тельный срок хранения как в необработанном, так и во вспененном состоянии. Рекомендуемая плотность моделей — 24 кг/м. Матери­ал поставляется в гранулах размером 0,35-0,5 мм. Усадка моделей из НМС-30 составляет 0,35-0,45 %. Содержание вспенивающего агента в пределах 6,5-8,5 %. В отличие от пенополистирола для вспенивания необходима более высокая температура, время вы­держки после вспенивания для активизации гранул должно быть не менее 24 ч, время охлаждения моделей после их изготовления и стабилизации размеров увеличивается на 10-20% по сравнению с пенополистиролом. При производстве стальных отливок реко­мендуется сифонный подвод металла к модели. Предварительные результаты, представленные фирмой, дают основание предполо­жить, что данный материал обеспечивает лучшее качество отливок из чугуна и стали и должен заменить пенополистирол.