2.3. Изготовление моделей в серийном производстве

В серийном производстве модели изготавливаются из вспенен­ного полистирола в две стадии. На первой стадии гранулы исход­ного полистирола вспениваются до заданной насыпной массы и выдерживаются в течение определенного времени для созревания. На второй стадии осуществляется нагрев вспененных гранул в замкнутом объеме пресс-формы, в результате которого происхо­дит формирование модели с заданными технологическими и меха­ническими свойствами. Однако как первая, так и вторая стадия технологического процесса изготовления модели включает в себя целый ряд операций, каждая из которых оказывает существенное влияние на формирование модели надлежащего качества. Весь технологический процесс изготовления моделей можно разделить на два этапа: предварительная переработка суспензионного поли­стирола и изготовление моделей в пресс-формах.

2.3.1. Предварительная переработка суспензионного

Полистирола

Предварительная переработка гранул полистирола для вспени­вания является важной составной частью технологического про­цесса изготовления моделей и включает следующие операции: классификация гранулометрического состава, вспенивание гранул, сушка и активизация вспененных гранул. Каждая из этих операций существенно влияет на получение моделей с заданными эксплуа­тационными свойствами. Качество моделей зависит от первичных (молекулярной массы, количества порообразователя и остаточного стирола, наличия влаги и размера гранул) и вторичных (размера вспененных гранул, их активности, слипаемости, влажности) свойств вспененных гранул.

С одной стороны, модель должна иметь необходимую техноло­гическую прочность, чтобы при выполнении операций транспор­тировки, сборки моделей, покраски модельных блоков, их сушки и формовки не происходило нарушение геометрических параметров модели. С другой — при заливке формы металлом модель не должна существенно влиять на заполняемость формы, при этом должно выделяться минимальное количество продуктов термоде­струкции полистирола, которые оказывают влияние не только на формирование отливки, но и на окружающую среду.

В первом случае модель должна иметь повышенную объемную массу, во втором — минимально допустимую. Получение моделей с заданной, технологически необходимой объемной массой и явля­ется главной задачей их производства. Многочисленными иссле­дованиями и практикой установлено, что при вспенивании гранул полистирола различных партий одного и того же производителя при одинаковых режимах можно получать модели из пенополи­стирола с объемной массой, величина которой колеблется в значи­тельных пределах.

Поэтому необходимо контролировать свойства исходного по­листирола и экспериментально определять технологические пара­метры первичной его переработки для получения качественных моделей. Гранулометрический состав исходного полистирола опре­деляется в зависимости от толщины стенки модели, т. к. вспенен­ные гранулы должны не только заполнить полость пресс-формы, но и обеспечить необходимую объемную массу и качество ее по­верхности. В табл. 2.9 представлены рекомендации различных за­рубежных фирм по выбору размера исходных гранул полистирола в зависимости от толщины стенки модели [6].

Из приведенных данных в табл. 2.9 следует, что отечественный полистирол марок ПСВ-JI и ПСВ-ГМ409, а также строительные марки полистирола необходимо дополнительно просеивать на си­тах для выполнения указанных рекомендаций (см. табл. 2.5-2.7), и только полистирол марок ПСВ-ГМ406 и ПСВ-ГМ404 соответст­вует рекомендациям и может применяться без дополнительного рассеивания.

Таблица 2.9

Рекомендуемый размер исходных гранул

Толщина стенки модели, мм

Размер гранул, мм

Объемная масса модели, кг/м3

Более 14

1,2-1,8

13-30

10-14

1,1-1,3

15—40

8-10

0,7-0,9

17-40

6-8

0,3-0,7

17-40

4-6

0,2-0,5

22-44

Вспенивание гранул полистирола можно производить различ­ными способами: в горячей воде, паровой ванне, потоке пара, по­токе горячего воздуха и электромагнитном поле высокой частоты.

Вспенивание в горячей воде осуществляется при температуре 95-100 0C. Гранулы полистирола засыпаются тонким слоем в ко­роб, который закрывается крышкой. Днище короба и крышка вы­полнены из капроновой ткани или медной сетки. Короб с гранула­ми погружается в кипящую воду на такую глубину, чтобы верх короба был перекрыт кипящей водой. После выдержки в воде в течение заданного времени короб извлекается и помещается в су­шило, температура в котором 25-30 0C. Сушку можно производить и на противнях при комнатной температуре. Съем вспененного полистирола с 1 м2 поверхности водяной ванны составляет 0,5- 1,0 кг/ч. Процесс вспенивания в водяной ванне отличается ста­бильностью, т. к. поддерживать заданную температуру воды срав­нительно легко. Однако в связи с низкой производительностью процесса вспенивания в водяной ванне, высокой остаточной влаж­ностью гранул (до 250 %) и комкованием (слипанием) в процессе вспенивания данная технология не получила промышленного применения. Зависимость насыпной массы вспененного полисти­рола от времени его выдержки в кипящей воде представлена на рис. 2.7.

Вода 100 0C

1 —фр. 0,5-1,0 мм

2 —фр. 1,0-1,6 мм

Vg 0,07 г

§ 0,03 –

О

^ 0,06 –

1

4 — фр. 2,5-5,0 мм

5 — без рассева

О

Я 0,02 –

0,01 -2

3

3 —фр. 1,6-2,5 мм

0 4 8 12 16 20

Время вспенивания, мин

Рис. 2.7. Зависимость насыпной массы гранул полистирола от продолжительности вспенивания в кипящей воде

Вспенивание паром гранул полистирола производится при тем­пературе 95-105 0C тремя способами: статическим, кинетическим и динамическим. При статическом способе исходные гранулы рав­номерным слоем засыпаются в противень с днищем из капроновой или медной сетки, который помещается в бак над кипящей водой. Бак закрывается крышкой, вследствие чего температура пара над кипящей водой стабилизируется в пределах 96-98 0C. Противень выдерживается в паровой ванне заданное время, которое исчисля­ется после закрытия ванны крышкой. Вспенивание гранул в паро­вой ванне требует большего времени, чем в кипящей воде, но за счет значительного сокращения времени сушки общий цикл пере­работки полистирола значительно сокращается. Статическое вспе­нивание паром гранул полистирола можно производить в автокла­ве. В этом случае противень с гранулами помещают в автоклав, после закрытия которого в него подается пар при температуре 100-105 0C. После заданного времени выдержки, исчисление кото­рого начинается после закрытия автоклава и подачи в него пара, противень извлекается. Вспенивание гранул полистирола в авто­клаве позволяет получить вспененные гранулы с низкой влажно­стью и значительно сократить время сушки. Однако вспенивание в автоклаве применяется крайне редко из-за сложности обслужи­вания автоклава.

Кинетическое вспенивание гранул полистирола осуществляется несколькими способами. Одним из них является способ вспенива­ния гранул во встречном потоке гранул и пара, при котором по трубопроводу инжектируются воздухом гранулы полистирола и подается пар под давлением по ходу движения гранул. Нагрев гра­нул и их вспенивание происходят в совместном движении паро­воздушной среды и гранул полистирола. Производительность та­кой установки зависит от взаимной скорости перемещения паро­воздушного потока и гранул [11].

При кинетическом способе вспенивание гранул осуществляется в лопастных и шнековых мешалках, в камеру которых подаются непрерывно или дискретно гранулы полистирола и острый пар при давлении 50-180 кПа. На вспенивание 1 кг гранул полистиро­ла необходимо обеспечить расход не менее 0,3-0,5 кг пара. По мере вспенивания гранулы перемещаются лопастями мешалки или шнеком к разгрузочному окну. Насыпная масса пенополисти­рола регулируется или положением разгрузочного окна, или ско­ростью перемещения гранул в процессе вспенивания. Установки, работающие по такому принципу, имеют высокую производитель­ность и применяются в цехах средней и большой мощности. В со­временных автоматических установках вспенивание гранул поли­стирола и последующая их сушка происходят в одном агрегате, что значительно сокращает общий цикл подготовки пенополисти­рола.

Динамический способ вспенивания гранул полистирола осно­ван на непрерывном течении пара через неподвижный объем гра­нул при атмосферном давлении с удалением отработанного пара. При таком процессе поверхность гранул освобождается от конден­сата, который затрудняет теплообмен между паром и гранулами; кроме того, отсутствие избыточного давления в камере способст­вует свободному расширению гранул, что позволяет получать мо­дели с минимальной объемной массой (рис. 2.8) [12].

Время вспенивания, с

Рис. 2.8. Зависимость насыпной массы гранул полистирола при динамическом способе вспенивания паром при температуре: 1 — 135 0C; 2 — 120 0C; 3 — 105 0C; пунктиром показана зависимость при статическом вспенивании в паровой ванне

Предварительное вспенивание гранул полистирола можно про­изводить в потоке горячего воздуха при температуре 100-110 0C, однако цикл вспенивания при таком процессе более длителен, чем в водяной ванне или паром, ввиду низкого коэффициента тепло­обмена [11].

Разработан способ вспенивания гранул полистирола в электро­магнитном поле высокой частоты (ТВЧ), при котором гранулы предварительно смачиваются водой, содержащей электролит. Преимущество способов вспенивания в потоке горячего воздуха и ТВЧ по сравнению с другими состоит в том, что после вспенива­ния не требуется последующая сушка [11].

Все вышеприведенные способы вспенивания гранул полисти­рола не всегда обеспечивают требуемое качество моделей. Для получения гранул необходимой насыпной массы используются различные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их вспенивания. По данным [14, 15], для получения качественных моделей регламентируется их объемная плотность в пределах 16— 24 кг/м3. Для получения моделей с такой плотностью используются два способа вспенивания. По первому способу вспенивание произ­водится паром в вакууме, что обеспечивает снижение насыпной плотности гранул до 16-20 кг/м3. Модели из таких гранул приме­няют для получения отливок из стали, ковкого и серого чугунов. При втором способе в процессе вспенивания используется повы­шенное давление, создаваемое сжатым воздухом, что позволяет получать гранулы пенополистирола с насыпной плотностью 20- 21 кг/м3. Модели из такого пенополистирола рекомендуется при­менять для получения отливок из алюминиевых сплавов и чугуна.

После вспенивания гранулы полистирола подвергаются сушке и активации. Сушка осуществляется или в потоке теплого воздуха при температуре 25-30 0C, или стационарно при нормальной тем­пературе под вытяжным зонтом. Процесс активации гранул связан с изменением агрегатного состояния порообразователя и диффу­зионными процессами, протекающими в объеме гранул после их вспенивания. При охлаждении гранул порообразователь конден­сируется, вследствие чего в порах гранул образуется вакуум, кото­рый заполняется воздухом; в результате возрастает способность гранул к повторному расширению, которое обеспечивает их спе­кание при повторном нагреве в замкнутом объеме пресс-формы. Процесс активации гранул протекает во времени при взаимной диффузии воздуха вовнутрь гранул и паров порообразователя из гранул. Первоначально процесс диффузии воздуха превалирует над процессом обратной диффузии порообразователя из гранул, однако по мере заполнения вакуума эти процессы сначала взаимно уравновешиваются, а затем начинает превалировать процесс диф­фузии порообразователя. Процесс активации гранул продолжает­ся от 2 до 12 ч, после чего в течение 12 ч пенополистирол сохра­няет свою активность, а затем она начинает падать. Исследования и практика показывают, что хранение пенополистирола более 24 ч снижает его активность и делает непригодным для получения ка­чественных моделей. Для уменьшения потерь порообразователя применяют вещества с большой молекулярной массой, такие как изопентан (CH3)2CH CH2CH3 с молекулярной массой 72,5 и пентан CH3(CH2)3CH3 с молекулярной массой 72,15.

Для активации гранул с целью получения моделей с низкой плотностью и качественной поверхностью применяются различ­ные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их вы­держки. Для уменьшения насыпной массы гранул применяют по­вторное вспенивание их после активации, что позволяет получать модели с объемной плотностью 14-16 кг/м. В [16] предлагается предварительно вспенивать гранулы до минимальной насыпной массы 12-14 кг/м3, а затем, после активации, подвергать их обжа­тию в резиновых вальцах до сокращения первоначального объема на 20 %. При изготовлении моделей из таких гранул в пресс – формах время их спекания сокращается в 2 раза, улучшается плот­ность модели и качество ее поверхности. Данный способ актива­ции гранул был практически осуществлен для изготовления круп­ных моделей при использовании исходной фракции полистирола от 1,0-1,5 до 2,5-3,0 мм.

2.3.2. Технология изготовления моделей

Производство моделей основано на процессе вторичной тепло­вой обработки гранул в замкнутом объеме пресс-формы. Техноло­гический процесс изготовления моделей состоит из следующих операций: подготовка гранул пенополистирола, подготовка пресс – формы, заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола, тепловая обработка пресс-формы, охлаждение пресс-формы, из­влечение модели из пресс-формы, сушка модели, выдержка моде­ли после сушки и контроль качества модели. Существенным недо­статком вспененных гранул полистирола является их склонность к комкованию, которое происходит из-за химического (слипание) или электрического взаимодействия между гранулами. Оба эти фактора затрудняют нормальное заполнение пресс-формы грану­лами. Слипание гранул может происходить по двум причинам: высокое содержание свободного стирола в полимере или недоста­точная промывка водой гранул полистирола после его полимери­зации. Обе эти причины являются результатом нарушения техно­логического процесса производства полистирола. Для устранения слипаемости гранул в процессе вспенивания они обрабатываются 0,02-0,2% раствором поверхностно-активного вещества, например стеарата кальция или цинка, в воде [11].

Возникновение электрических зарядов на поверхности гранул обусловлено различными внешними факторами, которые сопутст­вуют технологическому процессу изготовления моделей. Главной причиной является трение гранул между собой и о стенки трубо­проводов, в бункерах их хранения, при сушке гранул, рассеивании и других видах транспортировки. В табл. 2.10 представлена зави­симость электролизации гранул от скорости их перемещения и вы­соты падения. Значительное влияние на электролизацию гранул из полистирола оказывает материал трубопроводов, по которым транспортируются гранулы, что видно из результатов исследова­ния, приведенных в табл. 2.11.

Таблица 2.10

Электролизация гранул полистирола при движении

Диаметр гра­нул, MM

Усредненное значение потенциала датчика, кВ

Высота падения, мм

Скорость движения, см/с

250

500

70

90

3,0

3,6

4,0

1,2

2,9

4,0

2,7

3,0

1,0

2,9

5,0

1,4

1,5

0,6

1,6

Таблица 2.11

Влияние материала трубопровода на электролизацию гранул из полистирола

Размер гранул, мм

Усредненное значение потенциала датчика, кВ

Поливинилхлорид

Медь

0,5

7,7

6,515

0,5-1,0

6,9

3,15

1,0-1,5

6,8

2,52

При исследовании зависимости характера электролизации гра­нул полистирола от диэлектрических свойств контактирующих материалов было установлено, что контакт с полистиролом и поливинилхлоридом способствует образованию положительного заряда на поверхности гранул, а с медью, стеклом, алюминиевыми сплавами — отрицательного [11].

Учитывая способность гранул полистирола к накоплению ста­тического электричества, необходимо принимать специальные ме­ры техники безопасности, которые заключаются в использовании токопроводящих систем транспорта и хранения полистирола при их надежном заземлении. После вспенивания и сушки гранул пе­нополистирола их следует обрабатывать антистатиком для сниже­ния статического заряда электричества и улучшения заполняемо – сти пресс-форм.

Для предотвращения адгезии пенополистирола к стенкам пресс – формы их необходимо периодически смазывать разделительным составом, например водной эмульсией мыла и талька следующего состава: на 1 л воды по 25 г талька и хозяйственного мыла. При­менение в качестве разделительного покрытия кремнийорганиче – ской жидкости позволяет многократно использовать пресс-формы для изготовления модели.

Заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола является операцией, влияющей непосредственно на качество модели. Пресс-формы заполняются гранулами путем эжектирования их сжатым воздухом при помощи специального устройства или руч­ным пистолетом-эжектором. На процесс заполнения пресс-формы гранулами оказывают влияние давление воздуха, подводимого к эжектору, и наличие отверстий (вент) в пресс-форме или щели по ее разъему для выхода отработанного воздуха. Для удаления воз­духа из пресс-формы в ее стенках устанавливаются венты или де­лаются отверстия диаметром 0,5-1,0 мм. На модельных автоматах кроме перфорации пресс-формы применяется ее вакуумирование при заполнении пресс-формы гранулами. Под действием сжатого воздуха происходит деформация гранул в пресс-форме за счет сил фильтрации, величина которых пропорциональна разности давле­ний на входе и выходе воздуха из пресс-формы. Обычно давление воздуха, подаваемого к задувному устройству, составляет 0,3- 0,5 МПа, но при этом необходимо учитывать, что чем выше давле­ние воздуха, тем плотнее получаются модели при одной и той же насыпной плотности гранул пенополистирола.

Активность гранул или их способность к максимальному рас­ширению при повторном нагреве в пресс-форме имеет решающее влияние на качество модели при равных условиях заполнения пресс-формы и термовременных режимов ее обработки. Актив­ность гранул можно определить по формуле

A=I – Ьыа_9 Y

Где Ymin — минимальная объемная плотность вспененного поли­стирола, кг/м2; у — расчетная объемная плотность модели, кг/м2.

При равенстве минимальной и расчетной плотностей А = 0, и получить качественную модель в таком случае не представляется возможным.

В зависимости от теплоносителя и его воздействия на процесс спекания гранул пенополистирола в пресс-форме различают сле­дующие способы производства моделей: ванный, автоклавный, внешний тепловой удар, внутренний тепловой удар, ТВЧ и комби­нированные.

Ванный способ изготовления моделей отличается простотой, не требует сложного оборудования, и поэтому он получил примене­ние на ранней стадии получения моделей и освоения ЛГМ. При данном способе пресс-форма, заполненная гранулами пенополи­стирола, погружается в водяную ванну при температуре 100 0C и выдерживается в ней определенное время, в течение которого происходит спекание модели. Для повышения температуры воды в ванне в нее добавляют водорастворимые соли. Многочисленные исследования ванного способа изготовления моделей показали, что получить модель удовлетворительного качества данным спо­собом можно только при высокой активности гранул, т. е. с увели­ченной объемной плотностью в пределах 30-40 кг/м3. Это объяс­няется особенностями тепломассопереноса в системе вода—пресс – форма—модель и пластическими свойствами полистирола. При ванном способе передача тепла от воды к пенополистиролу осуще­ствляется через стенки пресс-формы за счет теплопроводности. При нагревании пресс-формы первоначально формируется поверх­ностный слой модели, который в силу низкой теплопроводности пенополистирола препятствует нагреву внутренних слоев модели, температура которых находится в пределах 75-85 0C, т. е. является близкой к стеклованию полистирола. Максимальная деформация полистирола в области пластического состояния находится в ин­тервале температур 120-135 0C. При температуре 100 0C величина пластической деформации составляет 20-30 % от максимальной.

Зависимость деформации полистирола от температуры представ­лена на рис. 2.9.

Температура, 0C

Рис. 2.9. Деформация полистирола в зависимости от температуры

Время выдержки пресс-формы в кипящей воде при ванном спо­собе изготовления моделей можно определить по формуле [6]

Где 8 — половина толщины стенки модели, мм; а — коэффициент температуропроводности, м2/ч.

При добавлении солей кальция температуру кипения воды можно поднять до 110 0C. Это дает возможность получать модели с качественной поверхностью объемной плотностью 20-25 кг/м^, однако при толщине стенки модели более 20 мм гранулы в сред­них слоях ее остаются слабо спеченными и образуют рыхлую структуру, что существенно снижает механические свойства моде­ли. Существенным недостатком ванного способа изготовления мо­делей является их высокая влажность после извлечения из пресс – формы (до 20 %). Поэтому модели, получаемые данным способом, должны проходить длительную сушку.

При автоклавном способе изготовления модели пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в автоклав, в который подается острый пар при температуре 110-120 0C под давлением 0,13-0,145 МПа. Для получения качественных моделей необходимо обеспечить постоянную подачу 1,0 кг пара в минуту. На 1 кг модели расходуется от 4 до 40 кг пара в зависимости от толщины стенок модели. Пресс-форма выдерживается в автоклаве необходимое время для спекания модели, после чего пар стравли­вается из автоклава, и пресс-форма извлекается. Затем пресс-фор­ма охлаждается в воде при температуре 15-20 0C, и модель извле­кается. В автоклаве процесс теплообмена осуществляется как за счет проникновения перегретого пара внутрь пресс-формы через венты, установленные в ее стенках, так и за счет теплопроводно­сти через стенки пресс-формы. Для качественного спекания моде­ли необходимо, чтобы площадь отверстий вент составляла не ме­нее 2 % от рабочей поверхности пресс-формы. Наличие конвек­тивного и стационарного процессов теплопередачи к гранулам пе­нополистирола и высокой температуры теплоносителя в автоклаве обеспечивает получение моделей высокого качества при объемной массе 18-22 кг/м3. Продолжительность цикла изготовления модели в автоклаве определяется экспериментально для каждой партии полистирола в зависимости от толщины стенки модели, конструк­ции пресс-формы, температуры и давления пара. На рис. 2.10 пред­ставлена зависимость продолжительности спекания моделей от давления пара и толщины стенок модели в медицинском автоклаве при расходе пара менее 0,2 кг/мин. При увеличении расхода пара до 1 кг/мин время спекания моделей снижается более чем в 10 раз при значительном улучшении качества.

При толщине стенок модели менее 10 мм пресс-форма может не иметь перфорации. Процесс спекания модели в этом случае осу­ществляется за счет передачи тепла через стенки пресс-формы, т. е. теплопроводности. Воздух при заполнении пресс-формы гра­нулами выводится через ее разъем.

Время цикла изготовления модели автоклавным способом tu (с) определяется суммарным временем подготовительных и рабочих операций:

Tn = h + t2 + h + U + h + h +

Где tX-i — соответственно время сборки пресс-формы, заполнения пресс-формы гранулами, загрузки пресс-формы в автоклав, спека­ния модели в автоклаве, извлечения пресс-формы из автоклава, охлаждения пресс-формы, разборки пресс-формы и извлечения модели.

Наиболее продолжительными операциями изготовления моде­лей автоклавным способом являются операции спекания модели и охлаждения пресс-формы. Если время спекания модели в авто­клаве определяется экспериментально, то время охлаждения пресс-формы т (мин) можно определить по формуле [6]

Рис. 2.10. Оптимальные режимы изготовления моделей автоклавным способом из ПСВ-Л фракции 1-1,6 мм в зависимости от толщины стенки: / — 10 мм; 2 — 20 мм; 3 — 40 мм ; 4 — 80 мм

T, мин

Автоклавный способ формирования модели позволяет исполь­зовать пресс-формы с необходимым количеством разъемов и отъ­емных частей для получения сложных по конфигурации моделей в одной пресс-форме. Он позволяет получать качественные модели с толщиной стенок до 40 мм и более при объемной плотности 18- 25 кг/м3. Однако все вспомогательные операции при данном спо­собе выполняются вручную, поэтому данная технология изготов­ления моделей применяется в мелкосерийном и серийном произ­водствах отливок ЛГМ.

Где 8 — приведенная толщина стенки модели, мм.

Способ внутреннего теплового удара заключается в подаче пе­регретого пара под давлением 0,2-0,25 МПа через инжектор во внутреннюю полость пресс-формы, предварительно заполненную гранулами пенополистирола (рис. 2.11). Формирование модели происходит в результате фильтрации перегретого пара через поры между гранулами в пресс-форме, при которой пар, расширяясь, передает свое тепло гранулам, частично конденсируясь на их по­верхности. Расширение гранул происходит наиболее интенсивно в районе инжектора и постепенно затухает у стенок пресс-формы, в результате образующийся конденсат оттесняется вспененными гранулами к периферии и удаляется через отверстия (венты) в стен­ках пресс-формы.

Мм

Рис. 2.11. Изготовление моделей внутренним тепловым ударом: / — нижняя часть пресс-формы; 2 — верхняя часть пресс-формы; 3 — инжектор

Такой процесс вспенивания приводит к неоднородности объем­ной плотности по сечению модели, что иллюстрируется на рис. 2.11. Процесс внутреннего теплового удара саморегулируе­мый. По мере расширения и спекания гранул пенополистирола прекращаются процессы как выхода пара через отверстия в стен­ках пресс-формы, так и процессы поступления, что говорит об окончании процесса спекания модели. Важной операцией техноло­гического процесса изготовления моделей тепловым ударом явля­ется охлаждение пресс-формы по окончании изготовления модели. Преждевременное извлечение модели из пресс-формы может при­вести к ее разрушению за счет внутренних напряжений, которые образуются в процесс расширения гранул полистирола при нагре­вании. Время охлаждения пресс-формы в воде при температуре 15-20 0C можно определить по формуле

R2

«м

Где R — приведенная толщина стенки модели, мм; ам — темпера­туропроводность пенополистирола, м2/ч.

Инжектор представляет собой трубку диаметром 10-20 мм, в стенках которой имеются отверстия диаметром 1-2 мм, суммарная площадь которых равна площади сечения инжектора. Стенки пресс-формы перфорированы за счет установки вент или сверле­ния отверстий диаметром 0,5-1,5 мм с шагом 20-25 мм, причем суммарная площадь сечений входных отверстий должна соответ­ствовать площади выходных отверстий. Расположение отверстий в стенках пресс-формы должно обеспечить равномерное распреде­ление пара по всему объему пресс-формы. Зона действия пара от инжектора описывается радиусом около 100 мм. Процесс изготов­ления моделей внутренним тепловым ударом скоротечен, он про­сто механизируется и автоматизируется, поэтому его успешно можно применять как при мелкосерийном, так и при серийном производстве для получения моделей с толщиной стенок более 40 мм. Данный способ стал основным при изготовлении шаровых прибылей (рис. 2.12) для питания отливок из стали, высокопрочно­го чугуна.

Рис. 2.12,. Модели шаровых прибылей

Внешним тепловым ударом: 1 — подача пара, воды, воздуха; 2 — отверстие для заполнения пресс-формы гранулами пенополистирола; 3 — камера; 4 — выход пара, воды и воздуха; 5 — венты; б — водяные форсунки; 7 — модель из пенополистирола

При внешнем тепловом ударе пресс-форма окружена рубашкой, которая образует камеру (рис. 2.13), куда подается острый пар при скорости 1 кг/мин под давлением 0,2-0,35 МПа при температуре 110-1120 0C.

Из паровой камеры пар поступает через венты в пресс-форму, которая предварительно заполняется гранулами вспененного по­листирола. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло гранулам пено­полистирола, в результате чего происходят его расширение и фор­мирование модели. Существует несколько вариантов применения данного способа для изготовления моделей, один из которых пред­ставлен на рис. 2,14 [17].

Рис. 2.14. Последовательность технологических операций при

Изготовлении моделей внешним тепловым ударом: 1 — подача пара; 2 — выход отработанного пара; 3 — подача воздуха в задувное устройство; 4 — подача гранул в задувное устройство; 5 — подача воды; б — выход воды; 7 — подача воздуха; 8 — толкатель; 9 — вторая камера; 10 — первая камера

Перед заполнением пресс-формы гранулами она предваритель­но прогревается паром до 100 0C (рис. 2.14, а). После прогрева пресс-форма выдерживается для выхода конденсата и высыха­ния. Затем пресс-форма смыкается, и происходит заполнение ее гранулами через задувные устройства, количество которых зависит от размеров модели. Потом сначала в одну полость пресс-формы, а затем в другую подается пар под давлением ОД МПа (рис. 2.14, б) в течение 10 с, и происходит предварительное спекание модели. Затем пар подается в обе камеры пресс-формы, наступает авто­клавный режим ее работы, который продолжается не более IOc при давлении пара 0,35 МПа, и происходит окончательное спека­ние модели (рис. 2.14, в). В этот период стенки пресс-формы про­греваются до 110-120 0C. После автоклавного цикла и снятия дав­ления пара стенки пресс-формы интенсивно охлаждаются водяным обрызгиванием до температуры 40-50 0C (рис. 2.14, г). Затем пресс-форма продувается воздухом для удаления воды (рис. 2.14, с)), она раскрывается (рис. 2.14, е), и модель под действием давления воздуха извлекается из пресс-формы. Продолжительность опера­ций и их последовательность контролируются по давлению пара и температуре в различных частях пресс-формы. Время цикла изго­товления модели на специализированном оборудовании не пре­вышает 90-120 с. Для получения качественных моделей внешним тепловым ударом необходимо применять сухой пар, в противном случае модель будет содержать повышенный процент влаги, что увеличивает время ее последующей сушки и усадки.

Технологический процесс изготовления моделей внешним теп­ловым ударом обеспечивает их высокое качество при объемной плотности от 16 кг/м3 . На основе данного способа создано высо­копроизводительное автоматическое оборудование, вследствие чего стало возможным использовать технологию ЛГМ в крупносе­рийном и массовом производстве отливок из черных и цветных сплавов взамен традиционных методов литья.

При изготовлении моделей в электрическом поле высокой час­тоты (ТВЧ) пресс-форма, заполненная гранулами пенополистиро­ла, помещается в поле высокочастотного конденсата, степень на­грева гранул в котором зависит от диэлектрической проницаемо­сти материала. Энергия переменного электрического поля вслед­ствие диэлектрических потерь превращается в тепловую. Пенопо – листирол имеет низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь tg8, который равен 0,0001, поэтому нагрева сухих гранул в поле высокой частоты практически не происходит. Для повыше­ния величины диэлектрических потерь производится предвари­тельная обработка гранул электролитом, в качестве которого ис­пользуется вода с добавлением 4-8 г/л поверхностно-активного вещества для равномерного распределения влаги по поверхности гранул. Тонкий слой воды или водного раствора под воздействием ТВЧ нагревается и передает свое тепло гранулам, в результате происходят их расширение и спекание по всему объему пресс – формы, что позволяет получить модели с равномерной плотно­стью. В отличие от других способов, при формировании моделей в электрическом поле высокой частоты образуется незначительное количество конденсата, и модели получаются практически сухими. Для получения качественных моделей необходимо пресс-форму изготавливать из материалов с низким значением тангенса диэлек­трических потерь и коэффициентом теплопроводности. При высо­кочастотном нагреве напряженность поля на отдельных участках сложной по конфигурации модели будет неодинаковой, что при­водит к получению моделей с различной объемной плотностью. Для получения моделей с однородной и плотной структурой необ­ходимо выравнивать напряженность магнитного поля, регулируя зазор между пластинами высокочастотного конденсатора и стен­ками пресс-формы, или применять конденсаторы с фигурными пластинами. Для высокочастотного нагрева могут использоваться установки с мощностью лампового генератора от 5 до 40 кВт и частотой от 5 до 30 МГц при напряженности поля от 500 до 1000 В/см. Продолжительность цикла формирования модели в по­ле ТВЧ составляет 10-60 с и зависит от размера модели, материала пресс-формы и подготовки гранул пенополистирола [6]. Несмотря на простоту процесса изготовления моделей ТВЧ, он не нашел должного применения, т. к. для получения моделей сложной кон­фигурации весьма трудно создать равномерно напряженное элек­трическое поле. Кроме этого, данный способ изготовления моде­лей является энергоемким.

2.3.3. Сборка моделей

ЛГМ в серийном и массовом производствах применяется для получения отливок III-V классов сложности, которые характери­зуются наличием плоских криволинейных наружных поверхно­стей, бабышек, фланцев с отверстиями, углублениями сложной конфигурации, внутренними полостями закрытого или полузакры­того типа с криволинейными поверхностями. Традиционными ме­тодами литья такие сложные отливки получают с применением одного или нескольких стержней. Получить цельную модель из пенополистирола для производства таких отливок на модельных автоматах, имеющих, как правило, один разъем, не представляется возможным. Поэтому сложные модели изготавливают из несколь­ких частей в пресс-формах с одним разъемом, а затем из них соби­рают цельную модель при помощи клея или сварки в кондукторе. В массовом производстве, когда это экономически целесообразно, применяются специальные модельные автоматы, обеспечивающие разъем модели в двух и более плоскостях.

Наиболее распространенный способ сборки моделей состоит из соединения ее частей при помощи клея, к которому предъявляются следующие требования: клей не должен растворять пенополисти – рол, при нанесении тонкого слоя на разъем модели он должен обеспечивать прочное соединение, сравнительно быстро затверде­вать и не оставлять коксового остатка после термодеструкции пе­нополистирола. Клеи для пенополистироловых моделей применя­ются двух видов: жидкие при нормальной температуре и твердые, которые предварительно расплавляются при температурах 110- 140 0C и быстро затвердевают при охлаждении. Термоплавкие клеи — это твердые термопластики, расплавляемые при примене­нии и твердеющие при охлаждении. Типичные термоплавкие клеи изготавливаются на основе полимеров, они содержат крепители, модификаторы и стабилизаторы. В качестве полимерной основы обычно применяют полипропилен, полиэтилен, синтетический каучук и этиленвинилацетат. Они обеспечивают прочность и же­сткость склеивания. Крепителями являются низкомолекулярные смолы, добавляемые для улучшения адгезионных свойств клея. В качестве модификаторов используются воск и масла, которые регулируют вязкость и теплостойкость клея. Неорганические на­полнители в этих клеях не используются. Для сохранения свойств клея применяются стабилизаторы и антиоксиданты В качестве твердого расплавляемого клея можно рекомендовать клей марки ГИПК 25-28.

Жидкие быстросохнущие клеи применяются чаще всего при ручной сборке моделей, расплавленные клеи — при машинной, а также и при ручной для соединения частей модели с небольшой плоскостью разъема.

Для ручной сборки моделей рекомендуется применять клеи, растворителем в которых является бензин или спирт, например БФ-2, ВИАМ-3, № 61 и др. Технология соединения частей моде­лей при помощи клея включает следующие операции: подготовку поверхностей соединяемых частей моделей; нанесение тонкого слоя клея на подготовленные поверхности; выдержку на воздухе смазанной поверхности для удаления растворителя; соединение частей модели при незначительном их сжатии. Следует учитывать при работе с клеем влажность и температуру воздуха в помеще­нии, которые должны соответствовать нормальным условиям.

При машинной сборке модели устанавливаются в кондуктор, за­тем на соединительную поверхность, валиком или копиром нано­сится расплавленный клей, и половинки моделей быстро соединя­ются при некотором внешнем давлении. После кратковременной выдержки готовая мЬдель извлекается из кондуктора. Все более широкое применение находит технология сборки моделей с помо­щью сварки, при которой используется способность самого поли­стирола в расплавленном состоянии обладать хорошей клеящей способностью и образовывать прочное соединение. Существуют два способа соединения моделей из пенополистирола при помощи свар­ки: контактный и бесконтактный нагрев соединяемых поверхно­стей.

При контактной сварке места соединения двух частей модели оплавляют разогретой проволокой или ножом и соединяют при небольшом давлении. После выдержки в течение 1-2 с соединение приобретает прочность, сравнимую с прочностью самой модели. Такой способ сварки применяется при соединении поверхностей небольшой протяженности, например при соединении модели с литниковой системой.

При бесконтактной сварке соединяемые части модели уклады­ваются в верхний и нижний кондукторы, между которыми вводит­ся медный контур, воспроизводящий форму соединяемых поверх­ностей модели и разогретый до температуры 300-350 0C. После оплавления стыка моделей за счет теплоизлучения контур быстро удаляется из разъема, и модели соединяются между собой под не­большим давлением. Модель выдерживается в течение 1-3 с, затем извлекается из кондуктора. Данный способ требует изготовления специальной дорогостоящей оснастки и поэтому применяется только при массовом производстве сложных отливок, например воздушно охлаждаемого тормозного диска автомобиля.

При соединении частей моделей по замкнутому контуру при­меняется сборка без клея, основанная на использовании упругих свойств пенополистирола. При этом способе размеры сопрягаемых частей модели назначаются с небольшим допуском для получения соединения с натягом. Достаточная прочность соединения частей

Рис. 2.16. Модель воздушно- охлаждаемого тормозного диска автомобиля

Рис. 2.15. Модель статора электродвигателя

Модели достигается при допуске 1,5-1,0 мм на размер 100 мм со­единительного элемента, при этом соединяемые поверхности вы­полняются с уклоном 1-1,5°. На рис. 2.15 показана модель статора электродвигателя, собранная в кондукторе из четырех элементов при помощи расплавленного клея.

На рис. 2.16 — модель воздушно-охлаждаемого тормозного диска легкового автомобиля, полученная сваркой из двух половин, а на рис. 2.17 представлены модели корпуса вентиля, которые из­готовлены на модельном автомате в пресс-форме с тремя плоско­стями разъема. Внутренний платик в корпусе выполнен отдельно и соединен с моделью корпуса при помощи прессовой посадки.

Рис. 2.17. Модель корпуса вентиля Ду-150

2.3.4. Качество моделей

Качество модели определяется шероховатостью ее поверхно­сти, размерной точностью, равномерностью структуры пенополи­стирола, ее объемной плотностью и механической прочностью. Шероховатость поверхности модели зависит от качества рабо­чей поверхности пресс-формы, активности вспененных гранул полистирола и термовременных параметров формирования мо­дели в пресс-форме. При нормальной активности гранул, но при недостаточной температуре теплоносителя поверхность модели формируется с четко выраженной гранулометрической структурой с наличием углублений по границам гранул. При применении гра­нул с низкой активностью и при нормальном тепловом режиме спекания модели в пресс-форме получаются аналогичные резуль­таты, т. е. поверхность модели имеет грубую шероховатость. Об­работка гранул в пресс-форме при повышенной температуре теп­лоносителя приводит к усадке гранул, при этом структура поверх­ностного слоя модели характеризуется выступами по границам гранул. При всех этих режимах спекания модели ее поверхность характеризуется высокой шероховатостью, и она не пригодна для получения качественных отливок. Качество поверхности модели при прочих равных условиях зависит от шероховатости рабочей поверхности пресс-формы. В табл. 2.12 представлены результаты исследования шероховатости поверхности модели из пенополи­стирола объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества поверхности пресс-формы [6].

Таблица 2.12

Шероховатость модели объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества рабочей поверхности пресс-формы

Класс шероховатости пресс-формы

3

4

5

6

7

8

Класс шероховатости модели

3

4

4

5

5

6

По другим данным [18], модель из пенополистирола марки ПСВ-Л объемной плотностью 20 кг/м3, полученная автоклавным процессом при температуре пара 110-115 0C и времени спекания 10-15 мин, имела шероховатость поверхности, зависимость кото­рой от качества пресс-формы выглядит несколько иначе, чем сле­дует из табл. 2.12. Однако тенденция снижения шероховатости модели с улучшением качества рабочей поверхности пресс-формы сохраняется (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Шероховатость модели объемной плотностью 20 кг/м3

В зависимости от качества рабочей I

Класс шероховатости пресс-формы

Говер

3

ХИОС’

4

Ги пр

5

Есс-<

6

>орм1

7

8

Класс шероховатости модели

2

3

3

4

4

5

Из данных табл. 2.12 и 2.13 следует, что шероховатость по­верхности модели ухудшается с понижением объемной плотности пенополистирола и улучшается с повышением класса чистовой обработки рабочей поверхности пресс-формы.

Точность модели определяется разностью размеров рабочей полости пресс-формы и соответствующих размеров модели с уче­том ее фактической усадки. Усадка моделей из пенополистирола нестабильна, она зависит как от свойств исходного полистирола, так и от термовременных параметров его дальнейшей переработки. Исследования показали, что усадка пенополистирола при двухста – дийной переработке его в модели протекает в четыре стадии (рис. 2.18) [16]. Первая стадия усадки модели протекает непосред­ственно в пресс-форме после ее тепловой обработки до извлечения из пресс-формы. Полистирол как основа гранул при нагревании расширяется в объеме, переходит в пластическое состояние и про­должает расширяться, но уже под действием давления паров поро­образователя. При охлаждении пресс-формы величина усадки мо­дели будет определяться суммарным воздействием сжимающих усилий уменьшающегося в размерах каркаса гранул из пенополи­стирола и остаточного давления паров порообразователя в замкну-

Рис. 2.18. Зависимость усадки модели из пенополистирола от времени

С увеличением плотности модели, что равносильно увеличе­нию содержания полистирола, усадка растет, однако при увеличе­нии порообразователя в гранулах пенополистирола она уменьша­ется или, другими словами, расширяющее действие порообразова­теля в данном случае тормозит объемную усадку полистирола.

По данным [17, 19], после извлечения модели усадка ее состав­ляет 0,32 %, что совпадает с результатами, представленными на рис. 2.18.

Вторая стадия усадки получает развитие после извлечения мо­дели из пресс-формы и продолжается в течение нескольких ча­сов. Она характеризуется ростом объема модели и снижает вели­чину ее усадки, имевшей место на первой стадии, протекающей в пресс-форме. Увеличение размеров модели связано с недоста­точным охлаждением пресс-формы. После извлечения модели из пресс-формы в ее внутренних слоях сохраняется высокое давле­ние порообразователя, под действием которого и происходят увеличение объема модели и снижение величины ее усадки. В [20] показано, что при охлаждении модели в пресс-форме до температур ниже температуры кипения порообразователя увели­чение размеров модели после ее извлечения из пресс-формы не происходит.

Третья стадия усадки начинается после предусадочного расши­рения модели (если оно имело место) и протекает в течение 3- 7 суток. Эта стадия характеризуется наиболее интенсивным рос­том усадки и, по многочисленным исследованиям, составляет 75- 80 % общей усадки моделей (см. рис. 2.18). На этой стадии идет испарение остаточной влаги из внутренних слоев модели и утечка порообразователя, что и приводит к снижению внутрипорового давления в гранулах и остаточных напряжений в твердой основе гранул — полистироле.

Четвертая стадия усадки (рис. 2.18) происходит в течение по­следующих 10-12 дней, когда размеры модели полностью стаби­лизируются. По данным [19], величина усадки на этой стадии со­ставляет 20-25 % от общей усадки. На этой стадии происходит дальнейшее снижение давления внутри гранул за счет уменьшения порообразователя в результате его диффузии из гранул и внутри­молекулярная стабилизация полистирола. Исследования амери­канских ученых показали, что усадка моделей зависит от плотно­сти моделей и размера гранул (рис. 2.19).

16,0 19,2 22,4 25,6 28,8 32,0 35,2

Плотность модели, кг/м3

• — 0,2-0,5 мм А — 0,58-1,2 мм

¦ — 0,35-0,7 мм Старение 28 дней

Рис. 2.19. Усадка моделей в зависимости от размера гранул и плотности модели

7 дней

14 дней 21день 49 дней

0 60 120 180 240 300 360 420 480 1176

Время хранения моделей после изготовления, ч

72 ч

>4ч

Выдержка гранул 48 ч

Рис. 2.20. Влияние срока хранения модели на ее усадку

Срок хранения вспененных гранул до спекания моделей также влияет на усадку (рис. 2.20).

S

(X о

5

3

6

JS

S <и

Измеряемый размер 16,4 мм

16,38 –

16,32 –

16,26 –

16,19

16,13

– 0,54

16,45 г

Ot (X

Таким образом, величина усадки модели зависит как от первичных свойств исходного полистирола, так и от режимов его термовременной обработки при изготовлении моделей (рис. 2.21) и поэтому должна определяться для каждой новой партии поли­стирола. По данным различных исследователей, общая усадка моделей из пенополистирола изменяется в зависимости от вышеизложенных причин в пределах 0,7-0,8 % [5, 6, 17, 19, 20].

Структурная неоднородность моделей из пенополистирола ока­зывает существенное влияние на их механические свойства и газо­вый режим при заливке формы металлом. В зонах повышенной плотности модели следует ожидать появления местных специфи­ческих дефектов на поверхности отливок из чугуна и стали.

Х, пв

Рис. 2.21. Зависимость усадки модели от режи­мов тепловой обработки тпв и свойств пенополи­стирола:

А) Ti = 1,72, П = 5,12%;

Б)ц = 1,91, П = 6,75%;

В) л = 1,82, П = 6,29 %; (т| — вязкость полистиро­ла; П — содержание пен­тана в пенополистироле;

Тов — время окончательного вспенивания)

? 0,5 ? 0,4

6,0 ‘5,5

Sf

Xob = 7,0 S4s

Illl

R^Ni Т‘ Vb

0,5 1,0 1,5 2,0

2,54^3,5

X, пв

0,5

I I

2,5 3,0 3,5

^ = 5,0

5,5;

6,0

7,0 ‘

Наличие посторонних при­месей может привести к концентрации неметалличе­ских включений в отливках и снизить их механические свойства. Для получения однородной структуры в мо­делях из пенополистирола следует использовать для их изготовления гранулы од­ного размера, а при полу­чении ответственных отли­вок применять рассеивание гранул после их предвари­тельного вспенивания через сито с размером ячеек в 1,5 раза больше размера гранул. Диаметр вспененных гранул необходимо определять, исходя из минималь­ной толщины стенки модели, для чего можно воспользоваться за­висимостью размера гранул от толщины стенки модели, представ­ленной на рис. 2.22 [12].

Ориентировочно, размер исходных вспененных гранул должен быть не более 1/3-1/4 толщины стенки модели. Пресс-форма должна иметь хорошую перфорацию, что достигается установкой вент или сверлением отверстий диаметром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см, при этом необходимо обеспечить нормальное заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола при их подаче воздуш­ным потоком.

D, Мм

0 20 40 60

Мм

Рис. 2.22. Зависимость размера гранул пенополистирола от толщины стенки модели

Качество моделей обеспечивается строгим соблюдением всего технологического процесса их производства, который должен по­стоянно контролироваться. Каждую вновь поступающую партию полистирола для вспенивания необходимо проверять на соответст­вие ТУ. Все термовременные параметры технологического про­цесса вспенивания гранул и изготовления моделей должны кон­тролироваться, а результаты контроля фиксироваться в специаль­ном журнале. Готовые модели, в зависимости от контролируемого параметра, должны подвергаться выборочному или подетальному контролю. Модель после извлечения из пресс-формы подвергается контролю, при котором визуально определяется наличие явных дефектов, таких как оплавление гранул, вмятины, задиры, трещи­ны и др. Выборочному контролю подлежат объемная плотность модели, однородность структуры пенополистирола, наличие по­сторонних примесей, шероховатость поверхности, размерная точ­ность, остаточная влажность и усадка. Объемная плотность моде­ли определяется выборочно взвешиванием на аналитических ве­сах. Для определения плотности модели можно использовать зави­симость между твердостью поверхности модели и ее плотностью, которая представлена в табл. 2.14.

Таблица 2.14

Зависимость твердости поверхности модели от ее объемной плотности

Объемная плотность модели, кг/м3

20-25

26-30

31-35

36-40

Твердость по твердо­меру модели 071

62-72

72-78

76-80

78-85

Структурная неоднородность моделей проверяется на просвет на специальном устройстве, которое состоит из короба со стеклян­ной крышкой и электролампы в качестве источника света. Осталь­ные свойства модели из пенополистирола определяются по стан­дартным методикам (см. подразд. 2.2.2) [5, 6].

В табл. 2.15 представлена классификация дефектов, которые могут образовываться при изготовлении модели, указаны причины их образования и даны рекомендации по их устранению.

Таблица 2.15

Дефекты моделей, причины их образования и способы устранения

Вид дефекта

Причина образования

Способ устранения

Недооформ­

Полость пресс-формы за­

Установить дополни­

Ление отдель­

Полнена частично, образо­

Тельные венты

Ных частей

Вание воздушных пробок

Модели

Увеличенный размер гра­

Уменьшить размер

Нул

Гранул

Низкое давление воздуха

Повысить давление

В задувном устройстве

Воздуха при заполне­нии пресс-формы

Высокая влажность гранул

Просушить гранулы

Большой статический заряд

Обработать гранулы

Электричества

Антистатиком

Окончание табл. 2.15

Вид дефекта

Причина образования

Способ устранения

Недооформ­ление отдель­ных частей модели

Повышенное содержание остаточного стирола

Низкая активность гранул

Проверить содержание остаточного стирола

Проверить активность гранул, при низкой активности заменить пенополистирол

Грубая по­верхность мо­дели, явно выраженная ячеистая структура по­верхности

Низкая активность гранул

Перевспененные исходные гранулы

Недостаточно плотное за­полнение пресс-формы гра­нулами

Повысить активность гранул

Увеличить время или температуру при фор­мировании модели

Увеличить давление воздуха, установить дополнительные венты

Оплавление поверхности модели, усад­ка гранул

Высокая температура теп­лоносителя

Завышено время тепловой обработки

Резкое охлаждение пресс – формы в холодной воде

Снизить температуру теплоносителя

Уменьшить время тепловой обработки

Повысить температуру воды до 15-20 0C

Коробление модели, тре­щины

Недостаточное время охлаждения пресс-формы

Высокая активность гранул

Увеличить время охлаждения пресс – формы

Снизить активность гранул или заменить их

Завышена объемная плотность моделей

Завышена насыпная плот­ность вспененных гранул

Высокое давление воздуха в задувном устройстве

Очень мелкие исходные гранулы

Увеличить время или температуру вспенива­ния гранул, увеличить их активность

Снизить давление воз­духа в задувном уст­ройстве

Увеличить размер ис­ходных гранул для вспенивания

2.3.5. Конструкция пресс-форм

Для изготовления пресс-форм применяются различные кон­струкционные материалы, которые имеют хорошую теплопро­водность, высокую коррозионную стойкость в атмосфере пара и в воде, достаточную механическую прочность и хорошо обраба­тываются режущим инструментом. При изготовлении моделей ванным способом, тепловым ударом и в автоклаве пресс-формы изготавливаются, как правило, из алюминиевых сплавов. Заго­товками для деталей пресс-форм могут быть как прокат, так и отливки. Чтобы получить качественные модели, желательно применять для изготовления рабочих частей пресс-формы про­кат из алюминиевых сплавов марок АМг5, АМг2, АМгб, Д16, 18К6 и др., которые имеют достаточную прочность, высокую плотность и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Крепежная часть пресс-формы и запирающие устройства вы­полняются из нержавеющей стали марки 30Х12Н9Т, соедини­тельные втулки изготавливаются из бронзы или из нержавею­щей стали, венты — из алюминиевых сплавов, идентичных ос­новным частям пресс-формы.

Итальянская фирма «Fiat Teksid» накопила значительный опыт изготовления пресс-форм из пористых пластмасс, рабочая поверх­ность которых покрывается медью или никелем способом гальва­нопластики. При этом отпадает необходимость в установке вент и значительно сокращается цикл изготовления пресс-формы [17].

При применении метода ТВЧ пресс-формы изготавливаются из материалов-диэлектриков с низким значением тангенса угла ди­электрических потерь, но с теплостойкостью выше температуры вспенивания полистирола. В качестве таких материалов применя­ются пластики на основе полипропилена, эпоксидных и поли­эфирных смол [11].

Пресс-формы для производства моделей ванным или автоклав­ным способами по своей конструкции подобны металлическим стержневым ящикам, которые применяются при пескодувном про­цессе, однако они должны иметь равноутолщенные стенки для обеспечения одинакового теплового потока от теплоносителя к гранулам пенополистирола. Элементы модельной оснастки, вы­полняющие углубления, отверстия и другие поднутрения, долж­ны, по возможности, выполняться полыми с толщиной стенок на 30-50 % меньше, чем наружные стенки пресс-формы. Для простых по конфигурации моделей толщина стенок основных частей пресс – формы зависит от толщины стенок модели: при толщине стенок модели до 6; 6-20 и 20-40 мм толщина стенок пресс-формы со­ставляет соответственно 5-6; 6—8 и 8-12 мм.

Уклоны в пресс-форме при высоте модели до 20 мм не выпол­няются, при большей высоте стенок они делаются в пределах 0,5°. Венты устанавливаются в стенках пресс-формы с прорезями ши­риной 0,1-0,3 мм, направление которых должно совпадать с из­влечением модели из пресс-формы. При установке вент шаг между ними равен удвоенному диаметру венты. Вместо вент можно ис­пользовать перфорацию стенок пресс-формы отверстиями диамет­ром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см по всей рабочей поверхности пресс-формы. Общая площадь отверстий в вентах должна быть не менее 2 % от рабочей площади пресс-формы. Диаметр задувного отверстия в пресс-форме зависит от размера вспененных гранул и выполняется диаметром от 6 до 12 мм, но не больше толщины стен­ки модели. Сверху задувного отверстия делается внутренняя фаска глубиной 5 мм под углом 45° для обеспечения плотного прилегания задувного устройства. Диаметры сборочных штырей, втулок, кре­пежа, стопорного устройства задувного отверстия должны быть нормализованы. Для определения конструкции крепежных элемен­тов модельной оснастки можно использовать PTM 10-60 «Пресс- формы для литья по выплавляемым моделям» или MH 4300-82— MH 4342-62. Шероховатость рабочей поверхности пресс-формы должна быть в пределах 9-11-го классов по ГОСТ 2789-73. Размерная точность рабочей полости пресс-формы должна быть не ниже 4—5-го классов по ГОСТ 26645-85. Рабочие размеры полости пресс – формы назначаются с учетом усадки металла отливки и материала модели. Усадку модели следует учитывать при изготовлении от­ливок повышенной точности. Усадка отливок из серого чугуна за­висит от материала литейной формы и для формы из сухого песка составляет 1,0-1,2%, из металлической дроби— 1,25-1,4%. Для отливок из углеродистой стали при литье в формы из песка линей­ная усадка металла 2,0-2,3 %.

Стенки пресс-формы необходимо проверять на прочность. Конструкция пресс-формы должна быть жесткой, т. к. при задуве гранул в пресс-форму давление достигает 0,3-0,4 МПа. Кроме то­го, при спекании модели стенки пресс-формы испытывают давле­ние со стороны пенополистирола.

Давление в пресс-форме P (кгс/см2) определяется по формуле

Где Pa — давление насыщенного пара при конечной температуре формирования модели; Pb — давление воздуха при конечной тем­пературе спекания модели; V — объем газов в модели, равный процентному содержанию пустот в ней; Рд — давление оставшего­ся в гранулах порообразователя; E — поправочный коэффициент, зависящий от объемной плотности модели (для модели плотно­стью 16 кг/м3 E = 1,01, плотностью 32 кг/м3 E = 1,03). Давление Pa зависит от температуры теплоносителя и изменяется для темпера­тур 100-130 0C от 1,03 до 2,75 кгс/см2. Давление Pb при тех же условиях изменяется от 1,28 до 1,39 кгс/см2. Объем пор V зависит от плотности модели. Давление Pa изменяется в зависимости от температуры и процента оставшегося порообразователя в пределах от 0,069 до 0,376 кгс/см2 [11]. Суммарное давление в полости пресс-формы при температурах теплоносителя от 100 до 120 0C составляет 0,84-1,48 кгс/см , но при этом необходимо учитывать кратковременное давление воздуха при заполнении пресс-формы гранулами пенополистирола. Расчетное давление в пресс-форме при ее конструировании принимается 4 МПа. Для повышения прочности пресс-формы в случае необходимости следует приме­нять оребрение стенок, при этом толщина их должна быть вдвое меньше толщины стенок пресс-формы. Конструкция пресс-формы для получения моделей внутренним тепловым ударом отличается от пресс-форм автоклавного процесса обязательным наличием вент в ее стенках.

Пресс-формы для внешнего теплового удара применяются для машинного изготовления моделей, поэтому в отличие от других типов пресс-форм они имеют закрытую камеру коробчатой фор­мы, к которой герметично присоединяется модельная плита. В ка­меру по заданному режиму подаются последовательно пар, вода и воздух (см. рис. 2.14).

По своей конструкции паровая камера бывает коробчатой (рис. 2.20, а) и контурной формы (рис. 2.23, б). Более сложная кон­струкция пресс-формы с трубчатыми каналами в ее стенках, по которым подается пар в полость пресс-формы при изготовлении модели, представлена на рис. 2.23, в.

Рис. 2.23. Разновидности конструкций пресс-форм для машинного изготовления моделей внешним тепловым ударом:

А) коробчатая;

Б) контурная;

Разъема^

Разъема

Разъема

В) с трубчатыми каналами в стенках: 1 — загрузка гранул; 2 — отверстие для ввода пара, воды и воздуха; 3 — отверстие для вывода отработанного пара, воды и воздуха; 4 — венты; 5 — водяные форсунки; 6 — плита машины; 7 — камера

При машинном изготовлении моделей паровая камера является принадлежностью машины, а модельная плита крепится к камере болтовым соединением и является съемной. На модельной плите располагаются одна или несколько вставок, формирующих модель или ее отдельные части. Модельная плита делается из нержавею­щей стали с гнездами под модельные вставки, которые изготавли­ваются из термостойкой пластмассы с гальваническим покрытием медью или никелем или из алюминиевых сплавов. Важным эле­ментом пресс-формы является перфорация модельной вставки, которая должна обеспечить направленный поток воздуха при за­полнении полости пресс-формы гранулами и нормальную подачу пара при изготовлении модели. При использовании вакуума для улучшения процесса заполнения полости пресс-формы гранулами и обработки их паром модельные плиты смыкаются плотно, гер­метизируя полость пресс-формы. При отсутствии вакуума для

Улучшения заполнения полости гранулами между плитами при их запирании сохраняется небольшой зазор (0,25 мм), который после заполнения полости гранулами ликвидируется за счет плотного смыкания модельных плит. Конструктивные элементы модельных вставок выполняются в соответствии с требованиями, которые предъявляются к модельной оснастке для автоклавного способа.

2.4. Изготовление моделей из пенополистирола в единичном производстве отливок

В единичном производстве отливок модели изготавливаются из пенополистироловых плит механической обработкой на дерево­обрабатывающих станках или на специальных установках горя­чим инструментом, в качестве которого используется нагретая проволока. Заготовка для модели вырезается из пенополистиро – ловой плиты на станках ленточными пилами с шириной полотна 12-35 мм и с профилем зубьев в виде прямоугольника с углом за­острения 60-65° или дисковыми пилами, имеющими зубья в виде равнобедренного или равностороннего треугольника с углом за­острения 50-60°. Развал зубьев на сторону составляет 0,1-0,15 мм. Рекомендуемые режимы резания плит представлены в табл. 2.16.

Таблица 2.16

Режимы резания заготовок из плит пенополистирола

Наименование станка

Скорость резания, м/с

Подача, м/мин

Ленточнопильный

20-30

1,0-1,5

Круглопильный

30-80

3,0-4,0

Таблица 2.17

Инструмент и режимы обработки на фуговочных и рейсмусных станках

Наименование инструмента

Скорость резания, м/с

Подача, м/мин

Глубина резания,

MM

Шерохова­тость поверхности, Ra, мкм

Строгальные ножи с углом заострения 36-45° с прямоуголь­ной кромкой резания

25-35

1,7-2,2

2,0

60-80

Окончание табл. 2.17

Наименование

Скорость

Подача,

Глубина

Шерохова­тость

Инструмента

Резания,

М/с

М/мин

Резания,

MM

Поверхности,

I? a, мкм

Вал с наклеенным

10-15

1,0-1,5

До ю

10-20

Наждачным полотном

Зернистостью 40-80 ед.

Вал с набором

6,0-20

1,5-2,0

До 10

10-40

Абразивных кругов

С зернистостью

40-80 ед.

Вал с насечками

15-20

1,5-2,0

До 15

20-80

(профиль зуба напиль­

Ника Д-400,

№ 1 по ГОСТ 1465-69,

Высота зуба

0,5-1,0 мм)

Плоская поверхность заготовок обрабатывается на фуговочных, рейсмусных станках, режимы резания и применяемый инструмент для которых приведены в табл. 2.17.

На фрезерных станках заготовки из пенополистирола обраба­тываются фрезами с углом заострения кромки зуба 25-30° или аб­разивными кругами, марка и размеры которых представлены в табл. 2.18. Режимы резания на фрезерных станках заготовок из пенополистирола приведены в табл. 2.19.

Таблица 2.18

Марка и размеры абразивных кругов

Марка круга

Размеры круга, мм

Наружный диа­метр

Внутренний диа­метр

Ширина

Э9А40С1К7

60

20

50

Э9А50СМ16КБ

70

20

40

Э9А40С11Б

40

13

40

Таблица 2.19

Режимы фрезерования заготовок из пенополистирола

Наименование инструмента

Режимы резания

Шероховатость поверхности, Z? a, мкм

Скорость резания, м/мин

Подача, м/мин

Глубина резания,

MM

Пластинчатая фреза

360-1200

0,5-1,0

10-80

Шлифовальные

360-900

0,5-0,8

До 10-20

10-80

Круги диаметром

40-70 мм

Оправка диаметром

300-700

0,5-0,8

До 10-20

10^0

50 мм с наклеен­

Ным наждачным

Полотном с зерни­

Стостью 40-80 ед.

(ГОСТ 36 47-71)

Фрезы с насечкой

300

0,5-1,0

10^0

Диаметром 16 мм

Для обработки тел вращения из пенопласта применяются то­карные и токарно-лобовые станки. Для черновой обработки можно применять обычные токарные резцы по дереву, для чистовой — деревянные резцы, обклеенные наждачной шкуркой на тканевой основе с зернистостью 40-80 ед., при следующих режимах реза­ния: скорость — 15-30 м/с, подача — 1,0 м/мин, глубина реза­ния — до 2,0 мм. Крепление заготовок из пенопласта при их обра­ботке на токарных станках осуществляется на планшайбе шурупа­ми с помощью переходников (рис. 2.24), переходников и кресто­вин (рис. 2.25) и на крестовинах болтами (рис. 2.26).

Рис. 2.24. Крепление заготовок на планшайбе с помощью

Переходников: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — деревянная колодка переходника; 4 — клей; 5 — заготовка; б — пенополистироловая колодка переходника

Рис. 2.25. Крепление заготовки при помощи переходников и крестовин: 1 — винт; 2 — планшайба; 3 — гвоздь; 4 — крестовина; 5 — подкладка; 6 — клей; 7 — заготовка; 8 — переходник

При обработке глухих и сквозных отверстий малых диаметров рекомендуется применять пластинчатые фрезы, шлифовальные камни и головки, фрезы с насечкой и другой инструмент.

Пенопласт хорошо обраба­тывается на специальных уста­новках, на которых в качестве режущего инструмента приме­няется нагретая до 450-500 0C проволока из нихрома диамет­ром 0,5-0,8 мм. По проволоке пропускают ток силой 3-5 А, величина которого регулируется при помощи трансформатора. Напряжение тока составляет 12-14 В (рис. 2.27). Устройство станка позволяет производить обработку заготовок под разны­ми углами, в том числе получать сложные фигурные поверхности по предварительной разметке или по шаблону из термостой­кого материала.

Рис. 2.26. Крепление заготовки на крестовине болтами: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — крестовина; 4 — болт; 5 — шайба с гайкой; б — заготовка; 7 — прокладка

Для получения чистой и ров­ной поверхности заготовки не­обходимо обеспечить подачу пенопласта со скоростью в пре­делах 4-6 см/с. Способ обработки

Пенопласта горячей проволокой отличается от механической. При резании проволокой происходит оплавление гранул полистирола, в результате чего поры затягиваются пленкой, которая образует поверхность с низкой шероховатостью, не требующей последую­щей чистовой обработки. Для получения замкнутых профилей внутри заготовки в ней делается отверстие, через которое пропус­кается проволока и производится обработка заготовки по разметке. По окончании обработки проволока отключается от источника тока и извлекается из замкнутого контура.

В настоящее время применяются специальные обрабатываю­щие центры горячей проволокой с числовым программным управ­лением, которые позволяют на порядок увеличить производитель­ность при получении высокого качества модели. Например, станок модели СРП-3220 фирмы «Теплозол» (г. Кемерово).

При механической резке плит из пенополистирола на заготовки и их последующей обработке из-за низкого качества пенопласта могут иметь место различные дефекты: выпадание плохо спечен­ных гранул, впадины или углубления по месту реза, вырывы час­тиц пенопласта и др. В этом случае поверхность заготовки допол­нительно обрабатывается на ленточно-шлифовальных станках или наждачной мелкозернистой шкуркой вручную.

Рис. 2.27. Станок для резки плит из пенополистирола нагретой проволокой: 1 — стол; 2 — плита; 3 — стойка; 4 — ползун; 5 — нихромовая нить; б — пружина; 7 — подставка; 8 — трансформатор; 9 — пенопласт

Грубые поверхностные дефекты могут быть исправлены следующими приемами: разделкой дефекта и уста­новкой вставок или пробок из пено­полистирола; нанесением на дефект­ное место клеящей бумаги типа «скотч»; заполнением глубоких вмя­тин парафином, воском или шпаклев­кой на основе полиметилметакрилата и др. Небольшие дефекты могут за­крываться липкой полиэтиленовой лентой (ГОСТ 18578-73). Галтели ра­диусом менее 8 мм оформляются лип­кой полиэтиленовой лентой, клеящей­ся бумагой. Галтели радиусом более 8 мм оформляются отдельными встав­ками с посадкой на клей (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Оформление ра­диуса сопряжения вставкой

Из пенополистирола: 1 — модель; 2 — вставка; 3 — клей

Для сборки модели из отдельных ее элементов используется клей на спиртовом или бензиновом растворителе. Клей наносится кистью на подготовленные поверхности заготовок, которые после удаления растворителя соединяются между собой под небольшим давлением. На рис. 2.29 представлена модель корпуса подшипни­ка, на рис. 2.30 — модель станины кузнечного молота, на рис. 2.31 — модель стола формовочной машины и на рис. 2.32, — модель кузнечных козел. Все они были изготовлены из заготовок, полученных из плит пенополистирола механической обработкой.

Рис. 2.29. Модель корпуса подшипника

Рис. 2.31. Модель стола формовочной машины

Рис. 2.32. Модель кузнечных козел

При механической обработке плит из пенополистирола могут быть выявлены дефекты, причины образования и способы устра­нения которых представлены в табл. 2.20.

Таблица 2.20

Виды дефектов, причины их образования и способы устранения при механической обработке пенопласта

Вид и причины образования дефектов

Меры предупреждения и устранения дефектов

Выкрашивание гранул с поверхно­сти пенопласта при обработке ре­жущим инструментом. Недостаточная прочность соедине­ния гранул между собой (нарушена технология изготовления плит). Содержание в плитах посторонних примесей с повышенной прочно­стью.

Недостаточная скорость резания, большая подача, неправильная за­точка инструмента

Применить плиты из пенополи­стирола в соответствии с ТУ. Повысить скорость резания, применить нормальный инстру­мент, уменьшить подачу инст­румента.

Дефекты исправляются шпак­левкой, заделываются клеящейся бумагой, изоляционной пленкой

Окончание табл. 2.20

Вид и причины образования дефектов

Меры предупреждения и устранения дефектов

Волнистость поверхности. Наличие в пенополистироле посто­ронних примесей, неравномерная подача инструмента, низкая темпе­ратура при резке проволокой, сла­бое ее натяжение

Применить плиты из пенополи­стирола в соответствии с ТУ. Обработку проволокой произво­дить при равномерной подаче и при заданной температуре, сле­дить за натяжением проволоки. Волнистость устраняется после­дующим шлифованием

Вмятины на поверхности плит и на заготовках модели. Образуются в результате непра­вильного хранения, при транспор­тировке и обработке

Соблюдать меры предосторож­ности при хранении, транспор­тировке и при выполнении опе­раций механической обработки

Большая шероховатость поверхно­сти заготовок.

Неправильный выбор режущего инструмента и режимов резания

Заменить инструмент, изменить режимы резания. Исправляется шлифованием

2.5. Подготовка моделей к формовке

Заключительной операцией перед формовкой модели или мо­дельного блока является нанесение противопригарного покрытия, к которому при ЛГМ предъявляются особые требования, выте­кающие из технологии производства отливок и процессов, проис­ходящих в формах при заливке их металлом. Противопригарное покрытие наносится на поверхность модели, которая имеет низ­кую шероховатость, поэтому покрытие должно хорошо смачивать материал модели, образуя с поверхностью прочную адгезионную связь. При формовке модели и уплотнении формы формовочный материал непосредственно воздействует на противопригарное по­крытие, поэтому оно должно обладать высокой стойкостью к исти­ранию и достаточной когезионной прочностью. При заливке формы металлом модель дестругирует с образованием парогазовой фазы, которая должна свободно транспортироваться из зоны взаимодей­ствия модели с металлом через противопригарное покрытие, поэто­му покрытие должно обладать достаточной газопроницаемостью. Однако необходимо, чтобы пористость покрытия не снижала его технологическую прочность и при сохранении необходимой газо­проницаемости обеспечивала получение отливок без пригара. Свойства противопригарных покрытий, которые применяются при изготовлении разовых форм по извлекаемым моделям, не соответ­ствуют вышеизложенным требованиям, поэтому их не должны использовать при ЛГМ [5, 6, 14, 15].

Определение газопроницаемости покрытия является техноло­гически сложной задачей. Сообщение о газопроницаемости по­крытия без указания методики ее определения не может воспри­ниматься достоверно. Ряд исследователей используют для опре­деления газопроницаемости покрытия стандартные образцы из холоднотвердеющих песчаных смесей с известной газопроницае­мостью. Такая методика дает искаженные результаты, т. к. при на­несении на такой образец покрытие проникает в его поры, закупо­ривает их и снижает газопроницаемость самого образца. Кроме того, по такой методике невозможно получить истинное значение толщины покрытия. По заданию фирмы «Teksid» в Миланском политехническом институте был разработан специальный прибор для определения газопроницаемости покрытия при комнатной температуре. Из стеклянного резервуара определенный объем сжа­того воздуха пропускается через комбинированное отверстие под тонкую пленку отвержденного покрытия. Время падения давления в резервуаре до атмосферного принимается за меру газопроницае­мости. Была установлена прямая связь между газопроницаемостью покрытия и качеством отливок из высокопрочного и серого чугу – нов [17].

Исследования, проведенные в институте проблем литья АН УССР (в настоящее время Физико-технический институт металлов и сплавов HAH Украины), показали, что на газопроницаемость покрытия существенное влияние оказывает физическое состояние его компонентов: скорость удаления дисперсной фазы, природа связующего, свойство огнеупорного наполнителя, его дисперс­ность и толщина слоя [21]. На рис. 2.33 показана зависимость га­зопроницаемости покрытия на водной и спиртовой основах от толщины его слоя и вида огнеупорного наполнителя.

Рис. 2.33. Газопроницаемость красок на водной {а) и спиртовой {б) основах в зависимости от толщины слоя покрытия и вида огнеупорного наполнителя: 1 — перлит; 2 — тальк; 3 — пирофилит; 4 — трепел; 5 — циркон;

6 — дистен силлиманит; 7 — перлит и маршалит; 8 — графит;

9 — пылевидный кварц; 10 — без наполнителя

На рис. 2.34 представлено влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки металла для бронзы и латуни. Зависимость величины давления в зоне взаимо­действия модели с расплавленным металлом при его заливке в форму от газопроницаемости покрытия представлена на рис. 2.35.

Бр ОЦСЛ 7-5-1

0 5 10 15 20 25 30

Kn, см4/(г • с)

Приведенные результаты исследования показывают, что проти­вопригарное покрытие не только обеспечивает качество поверхно­сти отливки, но и непосредственно влияет на основные параметры процесса ЛГМ: скорость заполнения формы металлом, температу­ру заливки, заполняемость формы. Следовательно, свойства про­тивопригарного покрытия при прочих равных условиях предопре­деляют формирование отливки, ее качество. В подтверждение ска­занного в работе [10] установлено, что с увеличением толщины слоя противопригарного покрытия и снижением его газопрони­цаемости увеличивается поверхностное науглероживание отливок из стали. Установлено [10, 11], что толщина слоя покрытия на мо­дели должна быть тем больше, чем больше пористость формы из песка, чем выше температура металла и его гидростатический на­пор при заливке формы. Рекомендуется найосить на модель слой покрытия толщиной 0,25-1,5 мм. Чем выше температура металла и металлостатический напор, тем толще должен быть слой краски при сохранении ее газопроницаемости. Взвешивание блока моде­лей до окрашивания и после сушки покрытия дает массу сухого покрытия, что является важнейшей информацией о стабильности условий нанесения покрытия. Отмечается, что качество наносимо­го на модель слоя покрытия зависит от его вязкости, седиментаци – онной устойчивости и плотности. Поэтому перед нанесением по­крытия на модель рекомендуется его тщательно перемешивать. Если перемешивание краски остановить на 10 мин, то получить равномерный слой покрытия на модели практически невозможно. Газопроницаемость покрытия должна устанавливаться на основа­нии равновесия скорости образования парогазовой фазы при тер­модеструкции модели и скорости ее удаления из зоны взаимодей­ствия модели с металлом с целью минимального влияния продук­тов термодеструкции на скорость заливки формы металлом.

1,10

0 5 10 15 20 25 30

Kn, см4/(г • с)

А

Рис. 2.34. Влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки бронзы (а) и латуни (б): Q — температура перегрева металла

Г3, с

Рис. 2.35. Влияние газопроницаемости покрытия на давление газа в форме при заливке металла с Tz= 1393 К:

1 — газопроницаемость 31 см4/(г • с); 2 — газопроницаемость 1 см4/(г • с)

К противопригарному покрытию при ЛГМ предъявляются и требо­вания, которые при традиционных способах литья не свойственны ему. Покрытие должно повышать жесткость модели, увеличивать ее прочность, уменьшать возможность деформации стенок моде­ли и элементов литниковой системы при формовке. Исследова­ния показали, что увеличение прочности покрытия до 2,5 МПа увеличивает прочность модели на изгиб при ее плотности 20 кг/м3 в 4 раза. Получено уравнение прочности модели с покрытием в зависимости от прочности самого покрытия:

Где Xi — прочность покрытия на изгиб; X2 — толщина слоя по­крытия; X3 — объемная плотность модели.

Состав быстросохнущих красок на основе поливинилбутираля, масс. %

Из уравнения следует, что прочность системы модель—покры­тие в большей степени определяется прочностью покрытия. Для мелкого стального и чугунного литья хорошо зарекомендовали себя быстросохнущие покрытия на основе раствора поливинилбу – тираля в спирте, состав которых приведен в табл. 2.21 [7].

Таблица 2.21

Огнеупорный наполнитель

Поли – винил – бутираль

Гидро­лизный спирт

Плотность краски, г/см3

Вид литья

Циркон

Черный графит

Кристал­лический графит

Марша – лит

35

10

2,5

52,5

1,1-1,25

Чугун

60

2,5

37,5

1,7-1,85

Сталь

50

2,5

47,5

1,25-1,4

»

Таблица 2.22 Состав и свойства быстросохнущих покрытий на основе смолы MlOl

Состав краски

Содер­жание,

Масс. %

Плот­ность, г/см3

Вяз­кость

По ВЗ-4, с

Время сушки, ч

Отстой

Металл отливок

Через 7ч

Через 24 ч

Цирконовый кон­центрат Смола IOlM Клей 45-08 Бензин «калоша»

67

2,0 10 21

1,6- 1,65

98

15-20

20

40

Сталь

Графит кристал­лический Графит аморфный Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша»

10

33 5 10 42

1,1- 1,2

58

20

35

42

Чугун

Тальк

Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша»

46 6 5

43

U – 1,14

56

20-25

13

28

Цвет­ное литье

Для крупных моделей можно применять быстросохнущие про­тивопригарные покрытия на основе смолы MlOl5 составы которых приведены в табл. 2.22 [6].

Для чугунных отливок предлагается покрытие с высокой газо­проницаемостью, когезионной и адгезионной прочностью на основе органических термостойких смол следующего состава, масс. % [22]:

Фенолформальдегидная смола 9-10;

Борная кислота 0,06-0,08;

Поливинилбутираль 2-3;

Вспученный фильтровальный перлит 7-9; этиловый спирт гидролизный остальное.

Для стальных отливок вместо вспученного перлита применяет­ся термообработанный маршалит.

Для отливок из серого и высокопрочного чугунов рекомендует­ся водное покрытие на основе цирконовой пасты ЦП-2 (ГОСТ 10772-78) следующего состава, об. %:

TOC \o "1-3" \h \z концентрат цирконовый 50;

Декстрин кислотный 15;

Бентонит 15;

Вода техническая 20.

Сверх 100 % в краску добавляют формалин технический из рас­чета 40 г на 100 кг краски [21].

Повышенной газопроницаемостью и прочностью обладают про­тивопригарные покрытия, состав которых приведен в табл. 2.23 [21].

Таблица 2.23

Состав водных противопригарных покрытий

Наименование компонентов

Объемная доля, %

Для нанесения кистью

Для пульве­ризатора

Водный раствор натрий карбоксиметил-

38

55

Целлюлоза (Na-КМЦ) массовой концен­

Трации 30-35 г/см3

Смола СФЖ-309

8

12

Спирт гидролизный

4

6

Огнеупорный наполнитель

50

25

В качестве огнеупорного наполнителя для стальных отливок используются: маршалит, дистен-силлиманит, цирконовый кон­центрат; для чугунных отливок — дистен-силлиманит, графит (скрытокристаллический 80 % и кристаллический 20 %), перлит вспученный; для цветного литья — перлит вспученный, тальк, гра­фит кристаллический. Газопроницаемость покрытия увеличивает­ся с увеличением зернистости огнеупорного наполнителя в краске.

Для неответственных мелких отливок можно применять водные покрытия на основе паст ГП-1, ГП-2 для чугунных отливок и TIT-1, ТП-2 для отливок из цветных сплавов [23].

Нанесение противопригарного покрытия на модель осущест­вляется следующими способами: окунанием, обливом, с пульвери­затора и кистью. Выбор способа нанесения покрытия определяется конструктивными параметрами модели, ее габаритами, жестко­стью, прочностью и серийностью производства. Мелкие модели, собранные в блоки, и отдельные модели, обладающие достаточной жесткостью, красятся окунанием. При окунании модели в емкость с покрытием на нее действует архимедова сила выталкивания, равная объему вытесненной жидкости, поэтому необходимо при­нимать специальные меры для предохранения модели от деформа­ции и разрушения. Модель необходимо погружать в краску мед­ленно, строго вертикально, с опорой на всю верхнюю плоскость или применять специальные приспособления-кондукторы. При крупносерийном производстве для этой цели используются авто­матические манипуляторы, которые кроме погружения моделей в краску после их извлечения из емкости производят манипуляции по заданной программе для слива излишков краски из внутренних полостей моделей. Так, в фирме «Peugeot» нанесение покрытия на модель 4-цилиндрового блока двигателя осуществляется роботом методом окунания. Модели охлаждаемых тормозных дисков ок­рашиваются при их вращении вокруг горизонтальной оси медлен­ным погружением в бак с краской на специальной полуавтомати­ческой линии. Метод полива применяется для моделей или мо­дельных блоков, имеющих недостаточную жесткость и прочность, при серийном производстве. Крупные модели красятся из пульве­ризатора или кистью вручную.

Сушка противопригарного покрытия является заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока. При­меняются три способа сушки противопригарного покрытия: есте­ственная, принудительная тепловая и комбинированная. При есте­ственной сушке модель после покраски помещается под вытяжной зонт, где и выдерживается до удаления растворителя. Процесс сушки ускоряется, если создается воздушный поток теплого сухо­го воздуха. Естественная сушка применяется главным образом при нанесении на модель быстросохнущих покрытий на спиртовом или бензиновом растворителе. Время сушки зависит от плотности краски, толщины ее слоя и составляет для одноразового покрытия 2-2,5 ч. Необходимо также учитывать, что на продолжительность процесса сушки существенное влияние оказывают влажность и температура воздуха в помещении.

Тепловая сушка применяется для водных покрытий. Она произ­водится в тупиковых или проходных сушилах в потоке горячего воздуха при температуре 55-60 0C. Время сушки составляет 1-10 ч и зависит от толщины слоя покрытия и его состава. Так, сушка водного покрытия на модели впускного коллектора автомобильно­го двигателя в потоке горячего воздуха при температуре 50 0C по­казала, что 97 % влаги было удалено за 125 мин, остальные 3 % — за 252 мин, или общее время сушки составило около 6,5 ч [10]. При применении покрытий с хорошей газопроницаемостью воз­можно применение моделей с покрытием, содержащим остаточ­ную влагу до 3—4 масс. %, что позволяет резко сократить время тепловой сушки.

Комбинированные способы сушки применяются в серийном производстве отливок с целью сокращения времени удаления вла­ги при применении водных противопригарных покрытий. При дан­ном способе окрашенная модель первоначально подвергается сушке в воздушном потоке при температуре 50-60 0C в течение 30-90 мин, при этом удаляется 60-80 % влаги. На втором этапе модель помещается в микроволновую печь на 6-15 мин для удале­ния оставшейся воды. Расход электроэнергии при этом составляет 0,52 кВт/м2 объема камеры или 0,9-2,0 кВт на один модельный блок, состоящий из 4-8 моделей впускного коллектора к автомо­бильному двигателю [24].

Глава III

ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

3.1. Термодеструкция моделей из пенополистирола

Формирование поверхности отливки, ее геометрии и физико – механических свойств при ЛГМ происходит в результате сложных процессов массо – и теплопереноса в системе модель—металл— форма. Наличие модели в форме, которая газифицируется под дей­ствием расплавленного металла, меняет сложившиеся теоретиче­ские и технологические представления о процессах формирования отливки. Как ни в одном из ранее существующих технологических способов производства отливок, продукты термической деструк­ции модели предопределяют качество отливки. Очевидно, что главная роль в процессах формирования отливки при данном спо­собе литья принадлежит газовому режиму литейной формы.

Под газовым режимом литейной формы следует понимать ко­личественное и качественное изменение во времени продуктов термической деструкции модели в полости формы, на границе ме­талл—форма и в стенках формы во время заливки металла, его кристаллизации, охлаждения и взаимодействие этих продуктов с металлом на всех стадиях формирования отливки.

1 2

L

У

Рис. 3.1. Физическая модель процесса: 1 — форма; 2 — модель из пенополистирола; 3 — расплавленный металл

H

Установлено [2], что если при нагреве вещества с низкой теп­лопроводностью выше температуры его разрушения происходят фазовые и химические превращения, то, согласно теории тепло – и массопереноса, процесс термодеструкции вещества локализуется в узком фронте превращения, а скорость продвижения в глубь веще­ства будет определяться мощностью источника тепловой энергии и теплофизическими свойствами самого вещества. Пенополисти – рол при объемной массе 20-30 кг/м3 обладает низкой теплопро­водностью (А. = 1,35 Вт/(м • К)), теплоемкостью (с = 444,45 Дж/К) и температуропроводностью (а = 5,7 ¦ IO7 Вт/(м • К)), поэтому про­цесс термодеструкции модели в полости формы под воздействием тепловой энергии расплавленного металла будет локализоваться в узком фронте взаимодействия модели с металлом, скорость пере­мещения которого будет определяться теплофизическими свойст­вами материала модели, гидравлическими свойствами формы, температурой и скоростью заливки формы расплавом (рис. 3.1). На рис. 3.2, а представлены результаты исследования процесса тер­модеструкции модели из пенополистирола плотностью 25 кг/м3 при заливке формы алюминиевым сплавом (Гзал = 750 °С) [16]. Термопара была расположена в модели вертикально и фиксирова­ла все процессы фазовых превращений в ней на границе модель— металл при подъеме расплава и замещении им модели в плоскости средней ее части. Результаты изменения температуры в зоне нача­ла и конца взаимодействия металла и модели показывают, что про­цесс имеет пять стадий. На I стадии происходят усадка модели и образование зазора между моделью и металлом; на II — плавление модели; на III стадии протекает термодеструкция модели с выде­лением газовой, паровой, жидкой и твердой фаз; на IV стадии за­фиксирован процесс термодеструкции жидкой фазы на зеркале металла; волнистость на температурной кривой на V стадии харак­теризует падение капель жидкой фазы с фронта разложения моде­ли на зеркало жидкого металла и температуру самого металла, т. е. продвижение зоны взаимодействия металл—модель. При скорости подъема металла 4,35 см/с величина зазора между моделью и метал­лом составила 4,35 • 0,2 = 0,87 (см).

И

700

О

Св ?

650

? а

600

О.

(D С

550

S

(D

H

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

А

:

——

J

J

:

——

——

——-

——

!—-

!—

И’

( IJ

UU

/

V

[V

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Время, с

Рис. 3.2. Изменение температуры в зазоре между моделью и металлом: а) при плотности модели 25 кг/м3:1 — усадка модели и образование зазора; II — плавление модели; III — термодеструкция модели; IV — плавление жидкой фазы; V — температура металла; б) при плотности модели 36 кг/м : I — усадка модели; II — переход в эластичное состояние и начало плавления модели; IH — плавление и термодеструкция модели; IV — термодеструкция жидкой фазы на зеркале металла; V — температура металла (см. также с. 102)

И 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Время, с

G 500 S

? 450 400 350 300 250 200 150 100 50

Б у 650 g 600

Рис. 3.2. Окончание

На рис. 3.2, б представлена температурная зависимость для мо­дели из пенополистирола плотностью 36 кг/м3 при идентичных условия заливки формы металлом.

При плотности модели 36 кг/м3 более четко фиксируются фазо­вые переходы термодеструкции модели: усадка и переход поли­стирола в эластичное состояние (зона I), плавление и начало депо­лимеризации полистирола (300 0C) (зона II), образование и накоп­ление жидкой фазы и ее термодеструкция до паровой и газовой фаз со значительным поглощением тепла (зона III). С увеличением плотности модели увеличивается и расход тепловой энергии ме­талла. Так, при плотности модели 25 кг/м3 температура металла при дальнейшем продвижении зоны взаимодействия модель— металл составила 650 0C, а при плотности модели 36 кг/см2 она снизилась еще на 40° и составила 610 0C. Величина зазора также увеличилась и при скорости подъема металла в форме 3,33 см/с составила 3,33-0,3 = 0,99 (см). Таким образом, полученные ре­зультаты исследования процесса взаимодействия модели и метал­ла при заливке формы подтверждают предлагаемую физическую модель процесса ЛГМ (рис. 3.1).

Между скоростью подъема металла в полости формы Vmct, ско­ростью продвижения фронта термодеструкции модели Vu и скоро­стью удаления продуктов при термическом разрушении модели Vr существует термодинамическое равновесие, которое определяет величину фронта превращения модели зазор 8 между расплавом и моделью и давление в полости зазора Рф. Очевидно, что опреде­ляющим в этой динамической системе следует считать кинетику процесса термодеструкции пенополистирола, т. е. скорость проте­кания химических и фазовых превращений.

Путем многочисленных исследований установлено, что терми­ческая деструкция пенополистирола сопровождается сложными фазовыми и химическими превращениями, в результате которых образуются жидкие, паро – и газообразные, а также твердые про­дукты, причем глубина протекания процесса разрушения модели при прочих равных условиях определяется только температурой источника тепловой энергии [1, 3, 4, 5].

При нагреве пенополистирола выше 81 0C он переходит в вы­сокоэластическое состояние, при котором происходит его увели­чение в объеме за счет внутреннего давления паров порообразова­теля; при дальнейшем нагреве до 239 0C пенополистирол перехо­дит в вязкотекучее состояние; при 300 0C начинается процесс де­полимеризации полистирола. Установлено, что при нагреве поли­стирола до 350 0C разрушение его происходит с выделением четы­рех фракций [3]. Самая летучая фракция состоит из оксида углеро­да, который образуется в результате химического взаимодействия полистирола с адсорбированным кислородом. Две другие фракции имеют одинаковую молекулярную массу (263-264), но обладают различной летучестью. Одна фракция летуча как при температуре реакции (350-420 0C), так и при комнатной (20 0C); она состоит из 92-94 % стирола, 4-8 % толуола и содержит следы этилбензола и метилстирола. Вторая летуча только при температуре реакции и содержит наряду со стиролом димер стирола (19,32 %), тример стирола (32,08 %) и тетрамер стирола (3,85 %). Жидкая фракция нелетуча и состоит из осколков полимерной цепи с молекулярной массой около 2000. При нагреве полистирола до 500 0C деструкция его идет в основном до мономера и небольшого количества диме – ра. При нагреве выше 500 0C происходит интенсивный рост газо­выделения и появляется негазифицируемый остаток.

Результаты исследования полистирола в условиях высокотем­пературного теплового удара, при котором полистирол помещался в печь при заданной температуре, представлены в табл. 3.1 [4].

Из данных таблицы следует, что с повышением температуры пиролиза возрастает глубина термодеструкции полистирола, ха­рактеризующаяся ростом количества газообразных продуктов и коксового остатка. Следует ждать подобной закономерности и при термодеструкции модели из пенополистирола в литейной форме при заливке ее металлом.

Таблица 3.1

Анализ продуктов термодеструкции полистирола

Темпе­

Выход газа, см3/г

Состав газа, об. %

Выход, вес. %

Ратура в печи, 0C

CllHm

H2

CH4

Газ

Жидкая фаза

Твердая фаза

800

165

20,5

37

34,6

ПД

70,8

18,1

175

20,8

35,5

35,4

12,0

70,4

17,5

1000

500

2,5

74,3

19,3

15,1

23,5

61,4

518

2,4

71,4

21,7

14,8

27,2

58,0

1200

738

1,5

82,3

9,3

18,5

11,5

65,0

689

1,3

82,3

10,2

16,3

18,9

64,7

Однако необходимо учитывать различие между процессом тер­модеструкции пенополистирола в литейной форме и пиролизом полистирола в условиях эксперимента, изложенного в [4]. В ли­тейной форме летучие продукты удаляются из зоны взаимодейст­вия модели и металла, а сам процесс термодеструкции протекает при взаимном перемещении фронта превращения полистирола и расплава и локализуется в небольшом зазоре между ними.

Исследование процесса термодеструкции модели проводилось на установке (рис. 3.3) по методике, имитирующей технологию литья по газифицируемым моделям [9].

Исследуемый образец из пенополистирола 4 помещался в гиль­зу 5 из нержавеющей стали, которая соединялась с рейкой 8. Рейка связана с поперечиной 6, которая вертикально перемещается с по­мощью маховика 14 по рейке 11, закрепленной на станине 18. Штанга с гильзой и образцом устанавливается в такое крайнее верхнее положение, чтобы можно было опустить гильзу с помощью электропривода в крайнее нижнее положение, обеспечив полное

Рис. 3.3. Экспериментальная установка для исследования термодеструкции пенополистирола

Погружение образца с заданной скоростью в ковш 1 с металлом, который перекрывается крышкой 3 с отверстием по центру для прохода гильзы. Перед проведением эксперимента отверстие в крышке перекрывается заслонкой 19. Образец из пенополистирола диаметром 50 мм и высотой 50 мм с отверстием диаметром 10 мм помещается в гильзу на высоте 50 мм от ее нижней кромки. Внут­ренняя и наружная поверхности гильзы покрывались (толщина слоя 0,1-0,2 мм) противопригарной негазотворной краской, кото­рая после нанесения на гильзу прокаливалась при температуре 300-350 0C в течение 2 ч. Парообразные продукты пиролиза улав­ливались в ловушке 15. По изменению давления в емкости 17 опре­делялись объем и кинетика выделения газов, которое фиксирова­лось тензометрическими датчиками ТД-1 и ТД-2. Начало и конец погружения образца в металл фиксировались электрическими контактами. Для учета влияния гильзы на давление в емкости 17 проводился эксперимент без пенополистирола. Объем выделяю­щихся газов определялся по формуле

Где Pocц — давление, фиксируемое осциллографом; t — температу­ра газа в емкости.

Масса парообразных продуктов пиролиза определялась по раз­ности массы фильтра в ловушке до и после эксперимента. Количе­ство твердых продуктов определялось по разности массы образца и суммарной массы газа и конденсата. Количественный и качест­венный анализ производился на хромотографе ХЛ-2, анализ кон­денсата — на хромотографе «Цвет-2». Результаты исследования пенополистирола марок ПСВ-Л и ПСБ-А плотностью 25 кг/м3 при температуре металла 700, 1300 и 1550 0C при скорости погружения образца 1 и 2,5 см/с представлены в табл. 3.2 и 3.3. Из табл. 3.3 следует, что глубина пиролиза зависит от температуры, с повыше­нием которой увеличивается выход газообразных продуктов и коксового остатка, что качественно согласуется с результатами, приведенными в табл. 3.1. Наличие кислорода в пенополистироле, как адсорбированного, так и свободного в порах пенопласта, при­водит к окислительной термодеструкции полистирола с образова­нием СО. Реакцию окисления полистирола можно представить следующим образом:

ОН

О

Так как энергия связи О—H составляет около 104 ккал/моль, а О—О — 45 ккал/моль, то при нагреве полистирола происходит разрыв связи О—О с образованием радикала ЮН. Энергия связи С—О составляет 75-79 ккал/моль, а энергия связи третичного углерода ослаблена бензольной группой и составляет около 60 ккал/моль, поэтому при нагревании происходит разрыв данной связи с образованием активного радикала *СбН5. При разрыве свя­зи С—C6H5 образуется двойная связь C=O, энергия которой

Составляет 175-191 ккал/моль, в то время как энергия связи между С—С в главной цепи полистирола равна 85,7 ккал/моль, вследст­вие чего происходит разрыв углерод-углеродных связей с образо­ванием молекулы СО и двух полимерных радикалов:

Или радикала и полимолекулы:

«С8Н8 XC8H8 + («-х) С 8Н8 (B1)

Но радикалы, образованные под действием окислительной тер­модеструкции по реакции (В), будут подвергаться дальнейшей окислительной деструкции по реакции (А), что приведет к умень­шению количества мономера в полимерной цепи полистирола до его полной деполимеризации.

Таблица 3.2

Состав газообразных продуктов термодеструкции пенополистирола в зависимости от температуры и скорости заливки металла

Состав

ПСВ-Л

ПСБ-А

Газа

700 0C

13000C

15500C

700 0C

1300 0C

15500C

H2

25,9

54,3

68,5

22,6

53,3

57,5

23,1

52,2

60,0

20,6

50,1

55,4

СО

20,4

9,7

8,5

26,2

7,95

21,3

29,3

11,5

17,0

30,0

15,1

29,6

CH4

27,9

12,4

9,76

13,1

13,0

8,53

19,7

13,0

8,7

15,7

14,7

8,24

C2H4

17,7

9,23

3,37

23,5

7,35

2,1

16,7

3,7

14,6

10,2

2,14

C2H6

1,56 5,3

8,61 8,59

5,3 7,0

2,74 5,68

12,5 4,81

4,68 2,1

Окончание табл. 3.2

Состав

ПСВ-Л

ПСБ-А

Газа

700 0C

13000C

15500C

700 0C

13000C

1550 0C

С2Н2

0,25 0,27

0,4 0,4

0,3 0,4

0,3 0,33

0,16 0,33

0,29

Од

СзНб

0,83 0,99

0,76 0,5

0,3 1,0

0,21 0,73

0,74 0,4

C3Hg

0,12 0,11

0,43 0,12

0,03 0,28

0,06 0,06

/-C5Hj2

6,31 6,6

4,63 5,15

3,27 2,4

11,3 12,6

5,54 3,65

4,5 1,91

Примечание. Верхняя строка -— результаты анализа при скорости подъема ме­талла в форме 2,5 см/с, нижняя строка — 1,0 см/с.

Таблица 3.3

Состав продуктов термодеструкции при у = 25 кг/м3, вес. %

Продукты термодеструк­ции

ПСВ-Л

ПСБ-А

700 0C

13000C

15500C

700 0C

13000C

15500C

Парообразные продукты термодеструкции

C6H6

13,0 13,15

2,35 2,25

0,11 0,12

13,05 13,50

2,18 2,00

0,16 0,08

C7H8

4,35 4,35

1,60 1,15

0,09 0,03

4,35 4,50

0,72 1,35

0,08 0,04

CgH8

69,40 70,10

11,85 11,25

0,20 0,25

69,70 71,90

11,70 10,05

0,56 0,28

Итого:

86,75 87,60

15,80 15,00

0,40 0,40

87,10 89,90

14,60 13,40

0,80 0,40

Газообразные продукты термодеструкции

H2

0,28 0,22

0,75 0,72

2,56 2,11

0,25 0,15

0,75 0,95

1,43 1,90

СО

2,94 3,74

1,89 2,24

4,34 9,43

4,19 3,36

1,56 3,89

7,20 14,35

N2

4,67 3,06

7,25 3,91

3,94 1,18

10,22 3,56

CH4

2,19 1,49

1,34 1,52

2,95 2,50

1,19 0,90

1,45 2,30

1,76 2,26

Окончание табл. 3.3

Продукты

ПСВ-Л

ПСБ-А

Термодеструк­ции

700 0C

13000C

15500C

700 0C

13000C

1550 0C

C2H4

2,74

1,79

1,75

0,38

1,43

0,70

2,12

1,57

1,86

1,37

2,72

1,05

C2H 6

0,25

2,30

2,95

0,47

2,56

1,73

0,75

1,76

3,78

0,60

1,37

1,09

C2H2

0,02

0,07

0,15

0,04

0,03

0,09

0,03

0,07

0,19

0,03

0,08

0,06

СзНб

0,25

0,55

0,09

0,06

0,35

0,38

0,41

0,15

0,31

0,25

СзН8

0,04

0,41

0,01

0,04

0,21

0,33

0,13

0,12

/-C5H12

2,38 2,25

2,30 3,17

4,40 3,08

4,19 3,25

2,82 2,67

3,98 3,26

Итого:

10,80

15,40

27,30

10,80

14,60

27,50

10,60

14,60

27,60

9,80

15,60

27,90

Углерод

3,25

68,80

72,30

2,10

70,80

71,70

1,80

70,40

72,00

1,30

71,00

71,70

Всего:

100

100

100

100

100

100

Примечание. Верхняя строка — результаты анализа при скорости подъема ме­талла в форме 1,0 см/с, нижняя строка — 2,5 см/с.

Радикалы ОН могут вступать в реакцию замещения с водоро­дом, образуя нейтральную молекулу воды (пара):

ОН* + H2 H2 О + Н« + 14 (ккал/моль)

Реакция (В) при высоких температурах может протекать само­стоятельно, без участия кислорода, как реакция деполимеризации, с образованием активных радикалов, молекул стирола и его произ­водных.

В работе [3] показано, что деполимеризация полистирола идет по закону цепной реакции и имеет три стадии: инициирование, рост и обрыв цепи. Инициирование рассматривается как разрыв углерод-углеродных связей главной цепи, при этом на концах мо­лекул образуются радикалы. Образованные радикалы взаимодей­ствуют с реакционноспособным атомом водорода главной цепи по внутримолекулярному (1) или межмолекулярному (2) механизму реакции:

HHHH

Illl

TOC \o "1-3" \h \z + C = C-C = C (1)

I / I /

H CgH5 H C6H5 H H [email protected] HH HH HHH

11/111 Il III

-С – С»+ – С – C – C^-C-C-H +-С =C + «С – С – (2) H C6H5 C6H5 H C6H5 H C6H5 C6H5 H СбН5 H

Внутримолекулярный механизм реакции рассматривается Сим – хом, Уоллом и Блату как причина образования больших, чем мо­номер, летучих осколков цепи — димера, тримера и тетрамера.

В результате окислительной деструкции полистирола образу­ются радикалы eC6H5; «ОН; H*; eC8H8; eC8H7, а также молекулы СО, H2 и H2O. Таким образом, в результате деполимеризации полисти­рола при высоких температурах образуются активные радикалы мономера и его производных. В реальных условиях литейной формы, при наличии кислорода в порах формы и пенополистиро­ла, термодеструкция полистирола будет происходить в результате как окислительных реакций, так и деполимеризации.

На основании данных табл. 3.1-3.3 можно предположить, что рассмотренный выше механизм термической деструкции характе­рен при заливке форм сплавами с температурой 700-800 0C, на­пример алюминием. Наличие значительного количества бензола в продуктах термодеструкции можно объяснить реакцией реком­бинации радикалов фенола с водородом:

-C6H5 + H– C6H6 (3.1)

Или реакцией замещения:

-C6H5 + H2-C6H6 + H – (3.2)

-C – C – C-С* ^-C — С*

I / I / I /

H C6H5 H C6H5 H C6H5

Реакция рекомбинации идет с нулевым значением энергии ак­тивации и является экзотермичной (82 ккал/моль). Для протекания этой реакции необходимо интенсивно отводить тепло, поэтому следует предположить, что реакция (3.1) протекает интенсивно в порах литейной формы, стенки которой ввиду высокой теплоем­кости песка являются хорошим аккумулятором тепла. Константа скорости реакции замещения (3.2) определяется по формуле [6]

6500

Высокое значение константы скорости реакции говорит о том, что реакция (3.2) интенсивно развивается в зоне высоких темпера­тур, что имеет место при непосредственном взаимодействии моде­ли из пенополистирола с расплавом в полости литейной формы при ее заливке.

Образующиеся в результате деполимеризации пенополистирола молекулы стирола при высоких температурах могут распадаться по следующей схеме:

C6H5CHCH2 C6H5CH С H + H – – 98 (ккал) (3.4)

C6H5CHCH2-* С 6Н5 + С 2Н3 – 60 (ккал) (3.5)

Первая реакция более экзотермична, поэтому при средних тем­пературах будет наблюдаться реакция (3.5). Константа скорости этой реакции имеет вид [7]:

6000

Если принять за основу реакцию (3.5), то последующий радикаль­ный процесс пиролиза стирола можно представить таким образом:

С2Н3 + Н2^С2Н4 + Н« (3.7, в)

С 2Н3 + C2H4 C4H6 + Н« (3.7, б)

IC2H4 —> С 2Нз + C2H5 – 65 (ккал) (3.7, в)

C2H5 + H2 -> C2H6 + H – (3.7, г)

•С6Н5 + CH3 C7H8 + Q (3.7, ё)

-C6H5 + H2 -> C6H6 + H – (3.7, ж)

H-H 2 +Q (3.7,«)

Константа скорости указанных выше реакций имеет вид:

6800

9300

65 000

10 800

К7г= 0,3-1012е RT,

86 ООО

Реакции обрыва цепи (3.7, ё) и (3.7, и) идут с нулевой энергией активации и экзотермичны, однако их протекание вполне вероят­но, т. к. выделившаяся энергия поглощается эндотермическими реакциями разрыва связей при пиролизе полистирола и его произ­водных. Наличие экзотермических реакций в зоне взаимодействия модели с металлом в литейной форме уменьшает потери тепловой энергии расплава на процесс газификации пенополистирола, чем объясняется сравнительно хорошая заполняемость формы при ЛГМ.

В результате термической деструкции стирола и его производ­ных в газообразных продуктах реакций содержатся молекулы во­дорода, этилена, этана, бензола, толуола и активные радикалы •СНз, eC6H5, "СгНз, – C2H5 и – Н. Взаимодействие активного металь­ного радикала с другими радикалами и молекулами приводит к образованию новых радикалов и молекулярных соединений:

(3.7, д)

С H3 + H2 -> CH4 + – Н; IgA = 13,24; E = 9100 (кал) (3.8, а) С H3 + – H — CH4 + 109 ккал; E « 0 (3.8, б)

C H3 + H2O -> CH4 + ОН; IgA = 13,1; E « 22 500 (кал) (3.8, в) С H3 + C2H5 CH4 + C2H2; Еъ 0 (3.8, г)

С H3 + – C2H4 CH4 + C2H3; IgA = 10; E = 7000 (кал) (3.8, д)

С H4 + C6H6 CH4 + С 6Н5; IgA = 10; E = 9000 (кал) (3.8, ё)

Анализ приведенных реакций показывает, что наиболее вероят­ным источником образования метана являются реакции (3.8, а, д и е) или реакции замещения радикалов, идущие с высокими скоростя­ми с незначительной величиной энергии активации. Остальные реакции либо требуют высокой энергии активации (3.8, в), либо весьма экзотермичны, и поэтому их протекание возможно в про­цессе фильтрации газовой фазы через поры литейной формы. Пи­ролиз метана при высоких температурах, но ниже 1600 К протекает по цепному механизму. Кассель установил, что пиролиз метана является реакцией 1-го порядка с константой скорости [7]:

79 000 ± 6000

IOlO1V RT с-1

И предложил следующий механизм цепной реакции:

(3.9, а) (3.9, б) (3.9, в) (3.9, г) (3.9, д)

CH4^ СН2 + Н2 •СН2 + CH4 -> C2H6 C2H6 -> C2H4 + H2 C2H4 C2H2 + H2 C2H2 2С + H2

Таким образом, термическая деструкция метана по цепному механизму протекает с высокими скоростями и конечными про­дуктами реакций являются углерод и водород. Это полностью со­ответствует данным, приведенным в табл. 3.2, из которых видно, что с повышением температуры значительно увеличивается со­держание углерода и водорода в составе конечных продуктов.

При температуре выше 800 0C происходит цепная реакция раз­ложения бензола с образованием ацетилена, водорода и углерода, причем последний является катализатором пиролиза бензола. Цепной механизм образования ацетилена из бензола выглядит следующим образом [3]:

C6H6 – C6H5+ H – (3.10, в)

•С6Н5 — 2С2Н2+ C2H (3.10,6)

•С2Н + C6H6 — С 6Н5 + C2H2 (3.10, в)

2 С 2Н — обрыв цепи (3.10, г)

Скорость цепной реакции образования ацетилена из бензола определяется по уравнению

59 000 3

= IO^e -[C2H6P (3.11)

Ах

Углерод, образовавшейся по реакции (3.9), выступает как ини­циатор разложения ацетилена:

C2 + C2H2-2С2Н (3.12, а)

C2H2+ C2H – C4H3 (3.12,6)

C2 + С4Н3 — C4H2 +C2H (3.12, в)

2С2Н — C4H2 (3.12, г)

C2 + C4H2 — С 2Н + С 4Н (3.12, д)

C4H+ C2H2 – C6H3 (3.12, е)

^[C6H6] _ л П3,5 Л RT гГ и 12

С 4Н + С 2Н C6H2 и т. д. (3.12, з)

Развитие реакций по радикальному механизму приводит к об­разованию высокоуглеродистых соединений — сажи, а на под­ложке — пироуглерода со структурой C8H. Распад ацетилена при наличии зародышей углерода может происходить по реакциям:

C2 + C2H2 C4 + H2 (3.13, а)

C4 + C2H2 C6 + H2 и т. д. (3.13, б)

Изложенный механизм распада ацетилена приводит к полиме­ризации углерода и образованию углеродно-водородных комплек­сов, выделяющихся в виде сажи и пироуглерода.

Содержащийся в полистироле изопентан (пентан) под действи­ем высокой температуры образует несколько активных радикалов:

C5Hi2-* C5Hn+ № (3.14)

Установлено [8], что при температуре 600 0C радикальная реакция пиролиза изопентана идет с образованием следующих соединений:

C5Hn C3H6 + 0,9С2Н6 + 0,1 C2H4 + 0,IH2 (3.15, а)

Скорость реакции определяется уравнением

————————— 12J =1013g RT [C5H12] (3.15,6)

Таким образом, продукты термодеструкции пенополистирола в полости литейной формы при заливке ее металлом образуются в результате протекания радикально-цепных реакций и окисли­тельного пиролиза.

(3.12, ж)

Углерод (пироуглерод и сажа) образуются в результате терми­ческой деструкции полистирола за счет радикально-цепных реакций бензола, ацетилена, диацетилена и метана, причем основным источ­ником образования углерода следует считать реакции пиролиза

Ароматических углеводородов. Установлено [8], что углерод в газовой фазе может существовать в виде многоатомных частиц: C2, С3, C4 и т. д., причем с возрастанием числа атомов в частице уг­лерода энергия отщепления атома от частицы возрастает. Так, если энергия связи двухатомного углерода составляет 71,59 ккал/грамм – атома, то для шестиатомного — 124,25 ккал/грамм-атома. При Cj6 (Ci6 = Ci5 + С) энергия отщепления атома углерода составит 146,84 ккал/грамм-атома. Энергия диссоциации многоатомных молекул будет соответственно: 143,17; 745,47 и 2210,57 ккал/моль. Поэтому при средних температурах в газовой фазе могут нахо­диться двух – и трехатомные соединения углерода. Многоатомные углеродные соединения конденсируются, причем диссоциация их практически ничтожна.

3.2. Кинетика фазовых превращений

Фазовый состав продуктов термодеструкции модели определяет количественные параметры газового режима литейной формы в период заливки ее металлом и оказывает непосредственное влия­ние на формирование механических свойств и качество поверхно­сти отливок.

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Температура, 0C

О — Vifet = 2,5 см/с; д— Vlter = 2,0 см/с; х~ Vuet = 1,0 см/с

Рис. 3.4. Зависимость фазового состава продуктов термодеструкции пенополистирола от температуры заливаемого в форму металла

Из рис. 3.4 следует, что фазовый состав продуктов термической деструкции пенополистирола при прочих равных условиях опре­деляется температурой заливаемого в форму металла. На рис. 3.5 представлены зависимости выделения паровой и газовой фаз при термодеструкции модели от скорости подъема металла в полости формы и его температуры [9]. Установлено [10], что кинетика па – ро – и газовыделения (объем газа Qr, см3) при термодеструкции мо­делей описывается уравнением

Qr = CiFxm, (3.16)

Где F — площадь взаимодействия модели с расплавом, см2 (см. рис. 3.1); т — время заливки формы металлом, с; а — относительный

Время заливки, с

Fm = 4,0 см/с —– Vm = 1,0 см/с

—— Fm = 2,5 см/с

Рис. 3.5. Кинетика газовыделения при термодеструкции пенополистирола в зависимости от температуры металла и скорости подъема металла в форме

Коэффициент газовыделения, см/с"™; т — показатель степени, ха­рактеризующий кинетику газовьщеления.

Относительный коэффициент газовыделения а и показатель степени т зависят от температуры заливаемого в форму металла, скорости заливки и объемной массы модели из пенополистирола.

Процесс выделения паровой и газовой фаз при термодеструк­ции модели, представленный на рис. 3.5, можно разбить на два временных периода. Первый период соответствует объему выде­лившейся парогазовой фазы за время заливки формы расплавом (т3), второй начинается после заливки формы и заканчивается пол­ной газификацией модели. Если обозначить через Qi объем газа, который выделился за время заливки формы х3, а через Qq — объ­ем газа, выделившийся при полной газификации модели (только газовая фаза), то степень газификации модели из пенополистирола п за период заливки формы тз определится отношением

N = ^L. (3.17)

Изменение фазового состава продуктов термодеструкции моде­ли происходит по следующей схеме. При первичном взаимодейст­вии металла с моделью в полости литейной формы процесс термо­деструкции пенополистирола протекает с образованием жидкой, паровой, газовой и твердой фаз, соотношение между которыми определяется температурой заливаемого металла (см. рис. 3.4). По мере продвижения фронта фазовых превращений под действием скоростного напора расплавленного металла происходит дальней­шая термодеструкция модели, но полная газификация жидкой фа­зы происходит со скоростью меньшей, чем скорость подъема ме­талла, что приводит к накоплению жидкой фазы на поверхности расплава. После окончания заливки формы жидкая фаза, отжатая металлом на границу металл—форма, продолжает деструтировать с образованием газовой и твердой фаз. Коэффициент накопления жидкой фазы можно определить по формуле

8=1 – п. (3.18)

Зависимость величины степени газификации модели п и коэф­фициента накопления жидкой фазы с от скорости заливки формы металлом для алюминия (7), чугуна (2) и стали (3) представлены на рис. 3.6.

S ^

S Vj

5 i

S S •в1 w

О -€н

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 , Скорость металла в форме, Flll, См/с

Рис. 3.6. Изменение величины степени газификации п и коэффициента накопления жидкой фазы s в зависимости от скорости заливки: 1 — алюминиевые сплавы; 2 — чугун; 3 — сталь

На рис. 3.7 приведены зависимости степени газификации п от скорости подъема металла и его температуры. Результаты экспе­риментального исследования кинетики фазовых превращений, приведенных на рис. 3.6 и 3.7, показывают, что при скорости за­ливки формы металлом выше 4 см/с степень газификации зависит только от температуры. С повышением температуры металла при скорости заливки в пределах 1-4 см/с степень газификации имеет максимум в интервале температур 1100-1350 0C, что соответству­ет температурам заливки бронзы и чугуна. При заливке металла со скоростью выше 1 см/с степень газификации модели резко пони­жается при температуре металла более 1300 0C и возрастает коли­чество жидкой фазы. Эта закономерность, вытекающая из теоре­тического анализа термической деструкции пенополистирола, хо­рошо согласуется с практикой получения отливок из стали.

С повышением температуры глубина термодеструкции полисти­рола должна увеличиваться, следовательно, мелкие отливки из стали Должны иметь лучшее качество поверхности, чем такие же отливки из чугуна. Практически получается наоборот. Мелкие отливки, как правило, заливаются с большей скоростью, поэтому при получении стальных отливок выделяется больше жидкой фазы, что и приводит к ухудшению их качества. Чугунные отливки можно получать при

Vu — 4 см/с

_ I___ I___ I I___ I___ I___ L__ I___ I___ I

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Температура, 0C

Рис. 3.7. Изменение степени газификации для различных скоростей подъема металла в полости формы в зависимости от температуры металла

Режимах заливки, которые соответствуют высокой степени газифи­кации, что значительно уменьшает количество внешних дефектов.

Установлено [9], что полная газификация модели за время за­ливки формы металлом в интервале температур 700-1350 0C про­исходит при скорости подъема металла в полости формы 0,5 см/с и в интервале 1550-1600 0C — 0,625 см/с. Абсолютная скорость га­зификации пенополистирола при температуре 700-1350 0C состав­ляет 0,24 г/с, при 1550-1600 0C — 0,3 г/с.

На рис. 3.8 представлены графики изменения относительной и абсолютной газотворности пенополистирола в зависимости от тем­пературы.

0,2 – ОД – 0 – 600

Зависимость относительной газотворности пенополистирола от скорости заливки представлена на рис. 3.9.

L

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

V? см/с

Рис. 3.9. Изменение относительной газотворности пенополистирола в зависимости от скорости подъема металла в полости формы

Шш

Рис. 3.8. Изменение относительной (7, 2) и абсолютной (3) газотворности пенополистирола в зависимости от температуры

Если известна абсолютная газотворность пенополистирола Qo, то относительную газотворность q (см3/г) можно определить по формуле

Q = Qon. (3.19)

Кинетику фазовых превращений при термодеструкции пенопо­листирола при заливке формы металлом можно представить в виде приведенной ниже схемы (рис. 3.10):

Пенополистирол (модель)

Газовая фаза Жидкая фаза Твердая фаза

Г Паровая фаза Газовая фаза Твердая фаза

– Газовая фаза

L Твердая фаза

Рис. 3.10. Схема кинетики фазовых превращений при термодеструкции пенополистирола при заливке формы металлом

Процесс термодеструкции модели соответствует закономерно­сти ее газификации и определяется уравнением

Qu=bFxm. (3.20)

Если разделить уравнение (3.20) на уравнение газовыделения

(3.16) с учетом Qm = – jl, где Gm — масса модели, ум — объемная Ym

Плотность модели, то коэффициент Ъ равен:

Ь^-^— = —^—. (3.21)

Ум? м JuQon

Весовое количество модели, которое полностью дестругируется в процессе заливки формы металлом, равно:

Весовое количество жидкой фазы определяется как разность между исходной массой модели и массой модели, подверженной термодеструкции за время заливки формы металлом:

Gjk = Gm – Gm, или G7k = Gm – ум bFxm. Количество парообразной фазы определяется по формуле

Gn = KjuaFxfni (3.23)

Где К — отношение между паровой и газовой фазами, определяе­мое по графикам рис. 3.4. Количество газовой фазы определяется в соответствии с (3.16):

Gr = yTaFxm. (3.24)

Количество твердой фазы определяется как разность между мас­сой модели и суммарной массой жидкой, паровой и газовой фаз:

На основании уравнений кинетики фазовых превращений по­строены монограммы термодеструкции модели из пенополистиро-

Gt

Ла в безразмерных координатах —- и — для температур заливки

G0 Т0

Алюминиевых сплавов (рис. 3.11, а), чугуна (рис. 3.11, б) и стали (рис. 3.11, в), где Gx — масса фазовых составляющих термодеструк­ции при времени заливки Xx; Go — исходная масса модели; То — вре­мя полной газификации модели, которое определяется по формуле

T0=-, (3.26)

Где hM — высота модели по ее расположению в форме; Wo — ми­нимальная скорость заливки формы металлом, при которой проис­ходит полная газификация модели.

С

GJG о, г

Б

Хх/т0, с

Рис. 3.11. Кинетическая диаграмма фазового состояния продуктов термодеструкции пенополистирола при температурах заливки алюминие­вых сплавов, чугуна и стали, °С: а) 700-750; б) 1300-1350; в) 1500-1600 (см. также с. 125)

Xx /т0, С

Рис. 3.11. Окончание

При назначении скорости заливки формы металлом следует ис­ходить из оптимального соотношения фаз термодеструкции; при этом необходимо учитывать, что жидкая фаза является основным источником образования дефектов на поверхности отливок, осо­бенно из чугуна и стали. В [10] предложен критерий качества от­ливок Кк:

К = ^ <0,01, (3.27)

К S

M

Где Sm — поверхность модели, см2.