Формирование поверхности отливки, ее геометрической точно­сти и физико-механических свойств при ЛГМ происходит в ре­зультате сложных процессов тепломассопереноса в системе мо­дель—металл—форма. Наличие газифицируемой модели в форме, которая дестругируется под действием расплавленного металла и постепенно замещается им, меняет сложившиеся представления о процессе формирования отливки, т. к. продукты термической де­струкции непосредственно взаимодействуют с металлом как в про­цессе заливки формы, так и при кристаллизации и последующем охлаждении отливки.

Определяющим фактором процесса формирования отливки яв­ляется газовый режим литейной формы, который следует разделить на два периода. Первый период определяется временем заливки формы металлом. Он характеризуется термодеструкцией пенополи­стирола в узком зазоре между металлом и моделью с образованием жидкой, парогазообразной и твердой фаз. Парогазообразная фаза формирует давление в зазоре, которое, с одной стороны, оказывает противодавление гидростатическому напору металла, с другой — определяет скорость фильтрации парогазовой фазы во внутренние слои формы. Содержащиеся в газовой фазе углерод и водород непо­средственно взаимодействуют с жидким металлом и в зависимости от термодинамических условий системы газ—металл растворяются в расплаве, оказывая влияние на структуру и механические свойства отливки. Жидкая фаза, перемещаясь на границу металл—форма, создает замкнутые зоны вторичной термодеструкции жидкой фазы с образованием парогазовой и твердой фаз, которые оказывают воз­действие на формирование поверхности отливки и на свойства ме­талла в прилегающих слоях. Твердая фаза отфильтровывается в по­верхностных слоях формы и становится источником диффузионного насыщения поверхностного слоя отливок из низкоуглеродистых сплавов. Второй период газового режима начинается после заливки формы металлом; он характеризуется продолжением процесса тер­модеструкции жидкой фазы на границе металл—форма и сконден­сированной паровой фазы в близлежащих слоях формы по мере ее прогрева тепловым потоком от охлаждающейся отливки. В этот пе­риод протекают процессы, оказывающие непосредственное влияние на формирование поверхности отливки.

4.1. Заполняемость литейной формы металлом

При ЛГМ ухудшается заполняемость формы при ее заливке ме­таллом (рис. 4.1), что объясняется двумя факторами: частичным снятием теплоты перегрева расплава, которая расходуется на термо­деструкцию модели, и противодавлением газообразных продуктов термодеструкции в зазоре 5 гидростатическому напору металла. За­полняемость — это комплекс технологических факторов, характери­зующих заполнение формы при ее заливке металлом; ее не следует отождествлять с жидкотекучестью. Заполняемость формы возрастает при ее вакуумировании (рис. 4.2) [25].

Ч

О §

А

1480 1530 1580 1630 Температура, 0C

1000

800

600

400

200

900 1000 1100 1200 Температура, 0C

Со

Рис. 4.1. Заполняемость форм при заливке стали (а) и бронзы (б): 1 — формы с газифицируемой моделью; 2 — полые формы

I 800 г

300 -

200 —————————— 1————— 1————— 1————— 1————— J

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Величина разрежения, МПа

Рис. 4.2. Заполняемость формы при заливке алюминиевых сплавов (температура 750 0C)

Заполняемость литейной формы определяется уравнением [23]

(4Л)

Где JI — жидкотекучесть; R — гидравлический радиус; t — пере­грев металла над точкой ликвидуса; А и В — постоянные для дан­ного сплава; H — расчетный гидростатический напор; Z^/ — сум­ма местных сопротивлений истечению металла.

F I

L = z V^oV^y

Уравнение (4.1) указывает на связь между жидкотекучестью сплава и характерным размером отливки. Поэтому жидкотекучесть является составной частью технологического комплекса, опреде­ляющего заполняемость формы металлом. При ЛГМ заполняе — мость литейной формы снижается из-за потери тепловой энергии металла на термодеструкциию модели. Используя уравнение Г. Ф. Баландина для определения заполняемости узких каналов ме­таллом с учетом потери тепла на термодеструкцию, можно опре­делить величину этих потерь, найдя величину заполняемости узко­го канала формы по уравнению (4.1) [25, 26]:

^iPi (V3^-V0J-^P1+(1-\|/)X

(4.2)

X(v —V )

V л оп /

^C1P1-WC2P2 | Zp2 Л

Т + 1

Где / — длина залитой пробы, м; Rq — приведенный радиус отлив­ки, м; Uq — средняя скорость течения расплава, м/с; Ъъ — коэффициент тепловой аккумуляции формы, Дж/(м2 • К • с/г); с\ — удельная теплоемкость расплава, Дж/(кг • К); pi — плотность рас­плава, кг/м3; узал — избыточная температура заливки, К; Von — из­быточная температура остановки потока, К; q — удельная теплота термодеструкции модели, Дж/кг; \|/ — относительное количество твердой фазы в затвердевшем сплаве; Vji — избыточная температу­ра ликвидуса, К; т — коэффициент затвердевания; C2 — удельная теплоемкость металла отливки, Дж/(кг • К); р2 — плотность отлив­ки, кг/м3; L — удельная теплота кристаллизации, Дж/(кг • К); Ve — избыточная температура солидуса, К.

В результате экспериментов по заливке алюминиевого сплава А9 по уравнению (4.2) была получена величина удельной теплоты термодеструкции пенополистирола при температуре заливаемого в форму металла 750 0C, равная 7924,7 Дж/кг [25].

(4.3)

Удельную теплоту термодеструкции модели можно определить, учитывая снижение теплоты перегрева металла, по уравнению [5]

Q= VyuzC(Tn- Тк),

Где V — объем отливки, м3; уМе — плотность металла, кг/м3; с’ — теплоемкость металла, Дж/(кг • К); Tn и Tk — температуры пере­грева и кристаллизации сплава, К.

Если Q\ = VyMec’(T[ - Тк) — теплота перегрева металла к концу заливки в полую форму, a Q2= VyMec'(T2 - Тк) — в форму с гази­фицируемой моделью при идентичных условиях заливки, то раз­ность AQ = Q\ - Q2 (Дж/(кг 0C)) будет характеризовать теплоту термодеструкции модели:

AQ=VyucC(Tl-T2). (4.4)

В табл. 4.1 представлены изменения температуры металла при его одновременной заливке в форму, в которой находились две полости (одна из них — с газифицируемой моделью). На основа­нии этих изменений с помощью уравнения (4.4) получены значе­ния тепловых потерь на термодеструкцию модели для различных сплавов [5, 21, 24].

Таблица 4.1

Теплота термодеструкции модели из пенополистирола

Как следует из табл. 4.1, с повышением температуры заливае­мого металла увеличиваются тепловые потери на термодеструк­цию модели, что соответствует теории термической диссоциации полимерных материалов [7]. Рекомендации по температуре залив­ки форм с газифицируемой моделью чугуном и сталью при плот­ности пенополистирола 25 кг/м3 с учетом снятия перегрева метал­ла при ЛГМ приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Рекомендуемые температуры заливки форм при ЛГМ, 0C

Таблица 4.3

Рекомендуемые температуры заливки медных сплавов, 0C

Для алюминиевых сплавов рекомендуется устанавливать темпе­ратуру заливки формы в пределах 730-780 °С, для магниевых — 750-800 0C. Вторым фактором, влияющим на заполняемость литей­ной формы, является газовое давление Рф продуктов термодеструк­ции модели в зоне взаимодействия модели с металлом (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Заполняемость формы с газифицируемой моделью при сифонной заливке в зависимости от скорости подъема металла в полости формы при ее газопроницаемости:

1 — 125 см4/(г • мин);

В табл. 4.3 приведены рекомендуемые при ЛГМ температуры заливки форм медными сплавами.

Vue, мм/с

2 — 350 см4/(г • мин)

Скорость подъема металла FMe (м/с) в полости литейной формы определяется уравнением:

(4.5)

Где Fm F0т — соответственно площадь сечения питателя и отливки в направлении движения металла, м; ц, — коэффициент расхода; Hv — расчетный гидростатический напор металла, м; — газовое давление в зазоре между моделью и металлом, Па; уме — плот­ность металла, кг/м3.

Из уравнения (4.5) следует, что чем выше давление Рф, тем ни­же скорость подъема металла в полости формы и тем больше вре­мени потребуется на ее заполнение. Увеличение времени заливки формы увеличивает тепловые потери металла на теплообмен с ма­териалом формы и вторичную термодеструкцию продуктов пиро­лиза модели, что дополнительно влияет на заполняемость формы металлом. Совокупное действие вышеперечисленных факторов может привести к остановке потока металла и незаполняемости формы. На рис. 4.3 представлены зависимости заполняемости формы чугуном при температуре заливки 1623 0C от суммарной газопроницаемости формы и скорости подъема металла, которые показывают, что при скорости подъема металла 10 мм/с и суммар­ной газопроницаемости K^ = 125 ед. (форма с покрытием) полость формы оказалась незаполненной (кривая 1). С увеличением скоро­сти заливки до 40 мм/с полость формы была заполнена металлом. Снижение скорости заливки происходит как за счет снижения га­зопроницаемости формы (покрытия), так и за счет увеличения плотности модели из пенополистирола. В том и другом случаях возрастает противодавление Рф в зазоре 8, что и приводит к ухуд­шению заполняемости формы. Применение вакуума при заливке формы металлом значительно увеличивает заполняемость формы металлом, что видно из рис. 4.4.

0Д5

U

S

I ОД S

§ 0,15 S * s -

S

Л

Од

О

0,05 О

0,12 0,17 0,22 0,27 0,32 0,37 0,42 0,47 0,52 0,57 0,62 0,67 0,72 Заполняемость формы, м

Рис. 4.4. Заполняемость узких каналов литейной формы

При вакуумировании: 1 — без вакуума; 2 — вакуум 0,02 МПа; 3 — вакуум 0,04 МПа; 4 — вакуум 0,05 МПа

0,3

Математическая модель процесса литья по газифицируемым моделям основана на физической модели взаимодействия расплав­ленного металла с моделью из пенополистирола в полости литей­ной формы (рис. 3.12, а-в) и устанавливает зависимость между теплофизическими свойствами модели, металла и формы и техно­логическими параметрами процесса литья. При выводе математи­ческой модели были сделаны следующие допущения [10]:

• литейная форма является однородным изотропным пористым телом;

• фильтрация парогазовой фазы осуществляется только через зазор 5 между зеркалом металла и фронтом термодеструкции модели при их взаимном перемещении;

• в форме имеет место одномерная параллельная ламинарная фильтрация парогазовой фазы;

• газопроницаемость формы остается постоянной в процессе ее заливки металлом;

• температурное поле формы остается постоянным в период фильтрации парогазовой фазы и ее температура равна темпе­ратуре формы;

• температура парогазовой фазы в зазоре 5 остается постоян­ной в процессе заливки формы металлом;

• между расчетной и фактической скоростями подъема метал­ла в полости формы соблюдается линейная зависимость (рис. 3.13 — I период).

Массовое приращение парогазовой фазы (в дальнейшем — газа) dG\ в объеме зазора 5 за промежуток времени dx опреде­ляется разностью между количеством газа, образующегося в процессе термодеструкции модели dGM за время dx, и количест­вом газа, которое удаляется из зазора 5 за то же самое время:

Объемное приращение газа в зазоре 5 согласно уравнению (3.28) можно записать так:

Где ун — объемная масса газа при нормальных условиях (P = = 0,1 МПа и T= 15 0C).

Количество газа, которое удаляется из зазора 5 за время dx, опре­деляется уравнением

Где уг — объемная масса газа; Vr — скорость фильтрации газа; П — периметр модели в зоне взаимодействия ее с металлом.

Скорость фильтрации газа Vr определяется уравнением Дарси:

CdPea

К=—*-, (3.31)

Л Qy

Где Рф — давление газа в зазоре 8; с — проницаемость формы в единицах Дарси; ц — кинематическая вязкость газа; у — направ­ление фильтрации газа, перпендикулярное к границе форма— зазор 5.

Плотность газа определяется по формуле

Y =~Л~, (3.32)

7Г V

Где 7ф — температура формы, К; R — газовая постоянная. С учетом (3.31) и (3.32) уравнение (3.30) примет вид:

(3.33)

В условиях одномерной фильтрации газа в литейной форме можно принять, что

ДР2 P2-P2

S — = ——————————————— -, (3.34)

Ду I

Где I — длина пути фильтрации; Pq — начальное давление газа в форме, которое равно атмосферному давлению.

После подстановки (3.34) в (3.33) уравнение выхода газа из объема в зазоре 5 запишется:

DG 21ЪсЪи{р1-Р2)

Где P11= 1,0 кг/см2 — нормальное давление.

Объем газа, который выделяется при термодеструкции модели за время dx, определяется уравнением

DQM = maFMx m~ldx. (3.36)

С учетом (3.35) и (3.36) уравнение (3.29) примет окончательный вид:

, 273с8П(р2 — PQ ) dQl = VmaFuXm’1 У } ]<ft. (3.37)

Объемное приращение газа в зазоре 5 можно определить по приращению массы газа за промежуток времени dx:

Учитывая, что

P2 P1

Y2=^rb Yi-

RT 1 RT

Г г

Где Yi, у2 — объемная масса газа в зазоре 5 в моменты времени т и г + dx; P1 и P2 — давление газа в то же самое время; Tr — темпера­тура газа, К, а также что изменение давления газа в зазоре 5 за время dx равно t/Рф = P2-Pb уравнение (3.38) можно записать:

DQl = —J—~dPl]/. (3.39)

Г

Так как dQ\ = dQ2 по условию, то, приравняв уравнения (3.37) и (3.39), после преобразования получим дифференциальное уравне­ние газового режима литейной формы, которое характеризует ди­намику газового давления в зазоре 5 при заливке формы металлом:

DPA

Ф _____

(3.40)

Dx 2735Fm

WoV

Решение уравнения (3.40) при помощи рядов Тейлора дает формулу для определения величины газового давления в зазоре 5 в любой промежуток времени заливки формы металлом:

2738сП

(3.41)

Т-1

_ AmFT/ц

-Lm — ______________

( с7;п ^

1-е ft^

При оптимальной скорости подъема металла в полости формы в пределах 1-5 см/с показатель степени т равен: для стали 1, чугу­на 0,5 и алюминия 0,75. В этом случае при получении отливок из стали Рф (кг/см2) определяется по формуле

AFTJr]

(3.41, а)

2735сП

СТТП Л

1-е FV"

( с7гП ^

I-/"Vn*

-0,5

(3.41,6)

Из чугуна:

Г<ь__________________ ______

273бсП из алюминиевых сплавов:

O9ISaFTMi

\ /

-0,25

Относительный коэффициент газовыделения из равенства (3.41, в) можно определить

Или

А = (3.42)

Где h — высота модели по положению в форме, см; ум — объемная плотность модели, г/см3; qM — относительная газотворность пено­полистирола для заданной температуры и скорости заливки формы металлом, см3/г, определяемая по графикам (рис. 3.8); T3 — время заливки формы металлом, которое определяется по формуле

^=J— (3-43)

Оп

При выводе уравнения (3.41) величина зазора 5 была принята постоянной. Фактически она переменна и зависит от тех же пара­метров, что и величина давления По своей физической природе величина зазора 5 есть разность между продвижением фронта тер­модеструкции модели и зеркалом металла при заполнении формы:

Db = (FM-Fmct)^t. (3.44)

Линейная скорость термодеструкции модели определяется из уравнения (3.36):

Где Ь = — .

Время заливки формы определяется по формуле (3.43), причем для

L h L h

Стали о = —, чугуна b — ,— и алюминиевого сплава b = .— .

Скорость подъема металла в полости формы определяется уравнением гидравлики:

Гмет = ц |f-,j2gtfp, (3.46)

M

Где (j, — коэффициент расхода, учитывающий местные сопротив­ления движению металла в каналах литниковой системы и в по­лости формы; Fn, Fu — площадь сечения питателей и модели, см2.

Расчетный гидростатический напор металла Hp определяется с учетом противодавления продуктов термодеструкции модели по формуле

(3-47)

P P

Мет

Для нижнего подвода металла Hv’ определяется по формуле

Я? ^max + ^yj^Так ^min ^min * о\

D =——————————————— :—————- » (3-48)

Где H1пах и Hmm — гидравлический напор металла в начале и в кон­це заливки формы металлом.

Если подставить в формулу (3.44) значения входящих в нее ве­личин, которые определяются формулами (3.45) и (3.46), то вели­чину зазора 5 можно определить по уравнению

Ь=Ыт-V^JlgHvT. (3.49)

M

Для расчета давления Рф можно использовать среднюю величи­ну зазора 5:

1 Хз hrm P1

Scp = — \6dx = . (3.50)

Уравнения (3.41), (3.46) и (3.49) определяют основные техноло­гические параметры процесса литья в зависимости от теплофизи — ческих свойств модели, гидравлических свойств формы и гидро­динамических свойств металла и, по существу, являются матема­тической моделью ЛГМ-процесса.

4____________________ *

0,00Ш

+ 8ез-0ДЗ?п;

В [12] на основании математической обработки результатов экспериментов предложено уравнение для определения макси­мального Рфтах (кПа) и установившегося давления Рф в зазоре 5:

Р™ =6,7 + 0,04—————— 1———- +

Ф 0,008?п+1,49,-1 (3.51)

Рф =0,4ХП+(0,8-0,5?п)03-

W (3-52> — (0,26 + 0,303)————- ^————- + 3,65,

Где Kn — газопроницаемость покрытия в интервале от 1 до 31 см4/(г • с); O3 — относительная температура заливки:

T-T

Е„

Где T3, Tc, T11 — соответственно температура заливки, среды и лик­видуса сплава.

В экспериментах относительная температура заливаемого спла­ва варьировалась в пределах 1,05-1,15. Фактическая скорость подъ­ема металла в полости формы W\ определялась по уравнению

Wi = (-1 + 0,00SKn+ 1,403)JFP, (3.52, а)

Где Wp — расчетная скорость; Wi — фактическая скорость, которая изменялась в экспериментах в пределах 10-50 мм/с. При скорости подъема металла в полости формы более 50 мм/с уравнения (3.51) и (3.52) применять нельзя.

Давление Рф оказывает непосредственное влияние на фактиче­скую скорость заливки формы металлом, и его величина при про­чих равных условиях существенно зависит от суммарной газопро­ницаемости противопригарного покрытия и материала формы.

На рис. 3.15 представлены зависимости газового давления в объеме зазора 5 от суммарной газопроницаемости формы при постоянных параметрах технологии литья (гидростатический на­пор 32,5 см; площадь сечения питателей 3,0 см ; температура ме­талла 1550 0C; габаритные размеры модели: высота 250 мм, шири­на 100 мм, толщина 40 мм; плотность модели из пенополистирола 20 кг/м3). Снижение суммарной газопроницаемости увеличивает газовое давление Рф в зазоре 5, что приводит к удлинению времени заливки формы металлом или к остановке потока металла в полости (рис. 3.15, K= 10,3).

X, с

P, MM вод. ст.

Рис. 3.15. Кинетика давления Рф в зоне взаимодействия модели с металлом в зависимости от газопроницаемости формы: 1 — 55 см4/(г • с); 2 — 50 см4/(г • с); 3 — 20 см4/(г — с); 4— 10,5 см4/(г ¦ с);

Пульсирующий характер давления Рф связан с каплеобразова — нием жидкой фазы при термодеструкции модели и ее падением на зеркало жидкого металла. На рис. 3.16 представлена зависимость скорости подъема металла в полости формы от ее суммарной газо­проницаемости. Зависимость изменения давления в форме Рф и величины зазора 5 от суммарной газопроницаемости показана на рис. 3.17.

О «Г

S

Ев

S

D

Е

О и

НО

S

О ft

О *

U

О 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Газопроницаемость, К, см4/(г • с)

10

Ssi

5

PQ

20

S

И

0

1

•6« Q4

To й

100

I 50

Рис. 3.16. Зависимость скорости подъема металла в полости формы от ее газопроницаемости: формы модели с противопригарным покрытием: 1 — из стальной дроби ДСК-0,5, 2 — из кварцевого песка марки 1 КОБ, 3 — из жидкостекольной формовочной смеси; 4 — форма модели без покрытия из ДСК-05

40

30

80

60

40

20

0 20 40 60 80 100 120 140

Газопроницаемость, К, см4/(г • с)

Рис. 3.17. Зависимость давления Рф и величины зазора 5 от газопроницаемости формы

На рис. 3.18 приведены экспериментальные (1, 2) и расчетные (1а, 2а) по уравнению (3.41) значения кинетики газового давления Рф в зазоре 5 и расчетные значения величины зазора 5 (16, 26) при заливке чугуном (1350 °С) формы, в которой находился образец из пенополистирола плотностью 20 кг/м3 и размером 250x100x40 мм. Суммарная газопроницаемость формы составляла 350 ед. (кривая 1) и 130 ед. (кривая 2).

Приведенные результаты экспериментальных и расчетных дан­ных изменения давлений и величины зазора 5 показывают их удовлетворительное совпадение, что позволяет рекомендовать уравнения (3.41)-(3.49) для применения их в инженерных расчетах при проектировании технологического процесса литья по газифи­цируемым моделям.

7 8 Время, с

Рис. 3.18. Кинетика давления и величины зазора 5: 1,2 — экспериментальные давления 1а, 2а — расчетные 16, 26 — расчетная величина зазора 5

Анализ процесса термодеструкции модели из пенополистирола под действием тепловой энергии металла дает возможность пред­ставить физическую модель процесса ЛГМ следующим образом. При заливке формы металлом между расплавом и моделью обра­зуется зазор 5 (рис. 3.12, а), через который происходит удаление продуктов термодеструкции модели.

Ji

..’; Форма ;

I v^ <к

V <v

Мет м

:’ . Форма : . _. .. .’Форка Ii К… >К.

Рис. 3.12. Варианты физической модели процесса ЛГМ в зависимости от режима заливки формы металлом:

A) Pmct < Vumax; б) Fm6t < Vu^ ; в) VMeT < Vu^; г) VMn> Vm^

Процесс фазовых и химических превращений локализуется на поверхности модели а\ — а{ с образованием газовой, паровой, жидкой и твердой фаз.

В соответствии с принятой физической моделью скорость про­движения фронта превращения модели Vm будет зависеть от теп­лового потока через зазор 5. Этот поток определяется суммарным количеством тепла q, передаваемым от зеркала металла b\ — Ь\, включающим в себя теплопроводность (qu) продуктов термоде­струкции и теплоизлучение (</л) [11]:

Iu =?(‘-’*);

Rplt

<?л = с

100

Too7

Где X — коэффициент теплопроводности парогазовой фазы, ккал/(м • ч); /’ и t" — температура поверхности металла и фронта

Превращения модели, 0C; С — приведенный коэффициент лучеис­пускания поверхности модели и металла; T и Т" — температура металла и фронта превращения модели, К.

Мет.

Зазор 5 определяется разностью скоростей продвижения фронта превращения модели Fm и подъема металла в полости литейной формы Fmct:

Скорость продвижения фронта превращения модели зависит от многих факторов, и прежде всего от суммарного теплового потока от зеркала металла, который, в свою очередь, зависит от темпера­туры и скорости подъема металла в полости формы, состава и ко­личества продуктов термодеструкции в зазоре 5, газопроницаемо­сти формы и ее теплофизических свойств.

Скорость подъема металла в полости формы определяется по уравнению

Где Fnm и Fmoji — соответственно поперечное сечение питателя и полости формы (модели); ц — коэффициент расхода; Hv — гид­ростатический напор металла; умет — массовая плотность металла; Рф — газовое давление в зазоре 5.

На рис. 3.12 представлены различные модификации физической модели процесса ЛГМ. Модель из пенополистирола обладает вы­соким термическим сопротивлением, которое определяет макси­мальную при данной температуре скорость Vm продвижения

Фронта превращения модели а\ — а\ под действием тепловой энер­гии металла. Если фактическую скорость подъема металла в по­лости формы обозначить через VMeT, то можно выделить три воз­можных режима заливки формы металлом: I — Fmct < Vm,11 —

^мет = V, III — FMeT > Vm. Третий режим предусматривает, что

Расчетная скорость подъема металла в полости формы больше, чем предельно возможная скорость термодеструкции модели.

Первый режим заливки формы металлом можно разбить на два периода. В первом периоде фактическая скорость подъема металла

Vuer меньше скорости полной газификации модели Vr. Он характе­ризуется отсутствием жидкой фазы в продуктах термодеструкции модели, т. к. она успевает разложиться на парогазообразную и твер­дую фазы на поверхности модели а\ — а{. Парогазовая фаза форми­рует в зазоре 5 определенное давление Рф в силу большего зазора 5, которое оказывает слабое сопротивление гидростатическому напору металла, поэтому расчетная скорость заливки формы близка по сво­ей величине к фактической (рис. 3.13 — I период). В этот период величина зазора 5 достигает максимальной величины. При дости­жении равенства скоростей подъема металла Vuer и газификации модели Vr начинается второй период, характерный началом накоп­ления жидкой фазы, количество которой растет по мере увеличения скорости заливки. Жидкая фаза, формируясь на поверхности модели а] — а\, под действием силы гравитации отрывается от модели и опускается на зеркало жидкого металла; при этом между металлом и жидкой фазой образуется парогазовая прослойка.

Под действием парогазовых сил, поверхностного натяжения и движения металла в форме частицы жидкой фазы, не успевшие дестру — гироватъ на поверхности жидкого металла до газовой, паровой и твер­дой фаз, перемещаются на границу металл—форма (рис. 3.12, б), где продолжают разлагаться. По мере сокращения разности скоростей Vmst — Vm^ количество жидкой фазы увеличивается как на зеркале

О 2 4 6 8 10 12 14 16

Расчетная скорость, см/с

Рис. 3.13. Зависимость фактической скорости заливки формы металлом от расчетной при ЛГМ

Металла, так и на границе металл—форма, при этом зазор 5 уменьшается, а давление Рф растет. Увеличиваются и удельная скорость, и объем газовыделения, т. к. происходит увеличение контакта жидкого металла с продуктами термодеструкции модели в связи с накоплением жидкой фазы на границе металл—форма. Однако газовое давление формируется лишь непосредственно в зазоре 5, поэтому оно хоть и растет, но оказывает слабое противо­давление гидростатическому напору металла. Характерной для данного режима является прямая зависимость скорости продвиже­ния фронта термодеструкции модели Vm от скорости подъема ме — taiuia VMct, при этом вследствие слабого противодействия газового давления в зазоре 5 фактическая скорость заливки Fmct незначи­тельно отличается от расчетной. Первый режим заливки можно назвать режимом кинетического равновесия.

При достижении фактической скоростью подъема металла в полости литейной формы FMeT максимально возможной скорости продвижения фронта термодеструкции модели V начинается

Второй режим заполнения формы, при котором происходит интен­сивное накопление жидкой фазы (рис. 3.12,6) вследствие того, что Vu^ на порядок выше скорости газификации модели Fr.

Это приводит к значительному росту удельного газовыделения, увеличению газового давления Рф в зазоре 5 при уменьшении са­мого зазора. Уменьшение зазора 5 приводит к повышению плотно­сти парогазовой фазы, что наряду с накоплением в зазоре жидкой фазы снижает тепловой поток от зеркала металла к фронту термо­деструкции модели. Это приводит, с одной стороны, к снижению скорости разрушения модели, с другой — к значительному росту газового давления Рф, которое создает противодавление гидроста­тическому напору металла (рис. 3.13 — II период), стабилизируя фактическую скорость подъема металла Vmct, независимо от увели­чения расчетной скорости.

При дальнейшем увеличении расчетной скорости металла Fmct скорость продвижения фронта термодеструкции модели достигает критической величины Fm, которая характеризуется не только

Кр

Теплофизическими константами полистирола, но и механической прочностью модели. Известно, что при давлении на модель 0,2 кг/см2 она деформируется при плотности пенополистирола 20-25 кг/м3 на 2 %. При заливке формы чугуном для получения такого давления достаточен гидростатический напор металла око­ло 300 мм, что имеет место при производстве мелкого и среднего по массе литья.

Увеличения скорости заливки металла в литейную форму мож­но достигнуть за счет увеличения площади сечения питателей или металлостатического напора. В нашем случае экспериментально установлено, что увеличение расчетной скорости за счет площади сечения питателей практически не приводит к росту фактической скорости подъема металла в полости литейной формы (рис. 3.13) и она стабилизируется на уровне 4,5-5,2 см/с. Так, увеличение рас­четной скорости при заливке формы чугуном с 5,85 до 12,5 см/с, т. е. на 220 %, увеличивает фактическую скорость только на 10 %.

Таким образом, если Vllim характеризует термическое сопро­тивление модели из пенополистирола, то Vu^ — термомеханиче­ское. На рис. 3.12, в представлена физическая модель процесса ЛГМ при достижении критической скорости термодеструкции мо­дели Vu^. Второй режим заливки формы металлом характеризует­ся постоянством скоростей термодеструкции модели и подъема металла в полости литейной формы, поэтому данный режим за­ливки можно назвать режимом термомеханического равновесия. Он известен еще как режим замещения. В практике чаще всего ис­пользуется при производстве отливок ЛГМ именно второй режим заливки форм металлом.

При достижении фактической скоростью металла Vmct значения критической скорости продвижения фронта термодеструкции мо­дели Vu^ начинается третий режим заливки формы, при котором

Происходят деформация модели в наиболее слабом месте на гра­нице модель—форма и охват модели расплавом с одной или со всех ее сторон (рис. 3.12, г). В результате охвата модели металл двигается по линии наименьшего сопротивления за счет тепловой усадки модели, в связи с чем фактическая скорость возрастает и практически достигает значения расчетной скорости (рис. 3.13 — III период). Охват модели нарушает газовый режим, давление Рф резко падает и не оказывает сопротивления движению металла. Однако такое заполнение формы металлом не сокращает время заливки, т. к. охват модели происходит раньше, чем успевает про­изойти ее термодеструкция. При полном охвате модели металлом жидкая фаза и часть модели окажутся внутри металла, заполнив­шего полость формы. Протекание процесса может иметь два про­должения. Разложение жидкой фазы и термодеструкция остатков модели в замкнутом объеме жидкого металла приведут к созданию высокого газового давления, под действием которого в случае со­хранения жидкого состояния металла произойдет его выброс через стояк. При образовании затвердевшей корочки металла на границе металл—форма и в питателе внутри будущей отливки образуется значительных размеров газовая раковина.

Однако полный охват модели металлом может и не произойти, и средняя часть модели по мере ее деструкции полностью запол­нится металлом. В этом случае жидкая фаза соберется в верхней части отливки, что приведет к образованию открытой глубокой раковины. Таким образом, данный режим заливки формы метал­лом характеризуется кинетической и тепловой нестабильностью, и он не должен иметь места как с точки зрения качества отливки, так и техники безопасности.

Однако скорость движения металла в узких горизонтальных се­чениях литниковой системы и горизонтально расположенных стен­ках модели отличается от его скорости движения по вертикали при сифонной заливке. На рис. 3.14 представлена схема движения ме­талла в горизонтальных стенках модели, или в каналах литниковой системы [15].

Рис. 3.14. Течение металла в горизонтальных каналах: Vyc — скорость термодеструкции модели; Рф — газовое давление продуктов термодеструкции модели; Vm — скорость усадки модели; Fmct — скорость течения металла под действием гидростатического напора уН

Исследования проводились при заливке формы из песка алю­миниевым сплавом АК9 при 750 0C. В качестве модели использо­вался пенополистирол массой 25 и 36 кг/м3. При заливке формы вакуумировались до 0,05 МПа. Обработка результатов экспери­ментов показала, что течение металла в горизонтальных стенках модели происходит под воздействием силы гидростатического давления металла уН, противодействия газового давления в зазоре Рф и гравитационной силы mg. При движении метала за счет теп­лоты расплава происходит первоначально усадка модели, и металл под действием указанных сил устремляется в образовавшийся за­зор между моделью и формой, т. е. течение металла происходит в режиме нижнего охвата модели (рис. 3.12, г). Модель по вертикали дестругирует с предельной скоростью 5,5 см/с. Движение металла в горизонтальном направлении определяется предельной скоро­стью усадки модели, которая равна 26,6 см/с и не зависит от плот­ности модели и величины вакуума. Изменение гидростатического давления металла от 70 до 250 см не влияло на скорость движения головного потока металла при сохранении его перегрева выше температуры ликвидуса. При дальнейшем движении металла ско­рость его в силу снижения температуры в головной части ниже температуры ликвидуса уменьшалась вплоть до остановки потока. Однако вакуумирование формы при 0,05 МПа увеличивало ее за­полняемость примерно в 2 раза по сравнению с заливкой формы без вакуума.

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

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

Таблица 2.11

Влияние материала трубопровода на электролизацию гранул из полистирола

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

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

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

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

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

Окончание табл. 2.15

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

Таблица 2.17

Инструмент и режимы обработки на фуговочных и рейсмусных станках

Окончание табл. 2.17

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

Таблица 2.19

Режимы фрезерования заготовок из пенополистирола

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

Окончание табл. 2.20

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

Таблица 2.22 Состав и свойства быстросохнущих покрытий на основе смолы MlOl

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

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).

А

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

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

Окончание табл. 3.2

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. %

Окончание табл. 3.3

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.

2.2.1. Основные свойства полистирола

Исходным продуктом для получения полистирола является стирол, который имеет структурную формулу СбН5СН=СН2. Мо­лекулярная масса стирола 104,15; плотность 0,906; температура плавления -30,63 0C; температура кипения +145,2 °С. Стирол труд­но растворим в воде, но хорошо растворяется в этиловом эфире, этиловом и метиловом спиртах, ацетоне. Полистирол для вспени­вания получают суспензионной полимеризацией стирола. Сущ­ность метода состоит в том, что мономер диспергируют в воде пу­тем механического перемешивания со стабилизатором, предот­вращающим коалесценцию частиц, с последующей полимеризаци­ей и образованием капель полимера. Полимеризацию проводят в присутствии порообразователя, инициатора, эмульгатора и ста­билизатора, которым является сополимер метилметакрилата и метакрилатовой кислоты. Для придания полимеру негорючести в автоклав перед полимеризацией вводят 3-5 % антипиренов, в ка­честве которых используются различные бром — и хлорсодержащие органические соединения. Полимеризация происходит при темпе­ратуре 70 0C и давлении 0,35 МПа в течение 18-20 ч. Образую­щийся полимер в виде бисерного порошка в водном растворе по­сле отстаивания в течение 30 мин всплывает на поверхность, и его легко отделяют от дисперсионной среды. После промывания в во­де и сушки гранулы полистирола подвергаются классификации и затем упаковываются в полиэтиленовые мешки массой по 15-20 кг или в металлические бочки с герметично закрывающейся крышкой массой по 200 кг. В качестве эмульгатора применяется 10% рас­твор поливинилового спирта в воде, инициатором служит 5% рас­твор порофора 4X3-57 в спирте. В качестве порообразователей применяются высокомолекулярные углеводородные соединения с низкой температурой кипения, например изопентан (Тк = 27,9 0C) или пентан (Tk = 36,7 0C). В процессе полимеризации для придания требуемых технологических свойств добавляются соответствую­щие ингредиенты, например дикумил.

Полистирол для вспенивания получают также суспензионной полимеризацией стирола в водной среде с добавкой в реактор по­рообразователя в конце процесса. В реактор первоначально загру­жается смесь следующего состава, масс. %: стирол — 100; перок — сид бензоила — 0,23; «-бутилпербензоат — 0,1; вода — 108;

Na4P207 — 0,05 и оксиэтилцеллюлоза — 0,15. Полимеризация про­изводится в реакторе ступенчато, с изменением температуры от 92 до 115 0C и давления от 0,44 до 5,6 МПа. Полученный бисер поли­стирола промывают в проточной воде, сушат, классифицируют и упаковывают в полиэтиленовые мешки или металлические бочки. Полистирол содержит не более 0,2 % стирола, 0,32 % влаги и око­ло 6 % порообразователя [11].

Полистирол относится к карбоцепным предельным углеводо­родным соединениям, которые имеют линейную структуру, т. е. полимеризуются по принципу «голова» к «хвосту», причем дан­ный порядок соблюдается по всей длине цепи полимера [24]. Про­цесс полимеризации происходит по радикальному механизму за счет активации одной из четырех связей углерода по схеме:

TOC \o "1-3" \h \z I — I — I _)_ I w

C6H5 C6H5 … C6H5

—CH-CH2-CH-CH2— —^ I I

C6H5 C6H5

CH-CH2- I

C6H5

В результате образуется полистирол, который имеет следую­щую структурную формулу:

•СН—СН2+СН—CH2- I I

П

0 81 239

Температура, 0C

Рис. 2.1. Изменение агрегатного состояния полистирола в зависимости от температуры

Длина цепи полимера зависит от технологии полимеризации стирола и составляет от 30 до 70 тыс. звеньев. Каждый атом угле­рода в полимерной цепи соединен поочередно с двумя атомами водорода и одним атомом углерода бензольного кольца, двумя другими связями — с соседними атомами углерода. Все атомы уг­лерода в полимерной цепи образуют по четыре ст-связи, причем крайние атомы углерода имеют три о-связи и одну тс-связь, кото­рая энергетически менее прочная, чем ст-связь. Атомы углерода в бензольном кольце соединяются с водородом и двумя ст-связями с соседними атомами углерода. Кроме того, два атома углерода попарно образуют в бензольном кольце три ст-связи. Расстояние между атомами углерода в бензольном кольце составляет 1,397 А с энергией связи 116,4 ккал/моль. Длина связи между углеродом и водородом в бензольном кольце равна 1,084 А с энергией связи 100,7 ккал/моль. Энергия я-связи в бензольном кольце около 50 ккал/моль. Расстояние между атомами углерода в главной цепи составляет 1,516 А с энергией связи 83,8 ккал/моль, а между угле­родом и водородом в главной цепи расстояние 1,07-1,06 А с энер­гией связи 96,7-99,4 ккал/моль. Полистирол может быть выражен химической формулой (CgHg)jr, где х — количество мономера в по­лимерной цепи. Теоретически полистирол содержит 92 масс. % углерода и 8 масс. % водорода, однако фактически в его составе присутствуют сера, азот, кислород. Химический анализ полисти­рола марки Экспорит показал, что он содержит, масс. %: 90,49 С; 8,0 H2; 0,18 N и 1,2 O2. Полистирол при нормальной температуре представляет собой твердое аморфное стекловидное тело, которое при 80 0C переходит в эластичное состояние и начинает плавиться при 239 0C. Теплота плавления полистирола AHn = 2000 ккал/моль, а энтропия ASn = 3,9 ккал/(моль • град.).

На рис. 2.1 представлена деформация полистирола в зависимо­сти от температуры, согласно которой полистирол до температуры 81 0C находится в стеклообразном твердом состоянии, в интервале температур 81-239 0C — в высокоэластическом состоянии, а при температуре выше 239 0C полистирол переходит в вязкотекучее жидкое состояние. При температуре выше 300-320 0C начинается необратимая деполимеризация полистирола, и при температуре выше 575 0C он горит на воздухе сильно коптящим пламенем [6, 12]. При производстве газифицируемых моделей применяется двухстадий — ная тепловая переработка суспензионного вспенивающегося поли­стирола. На первой стадии гранулы полистирола определенной фрак­ции подвергаются тепловой обработке при температурах 97-105 0C. Для вспенивания 1 кг полистирола требуется расходовать 0,3-0,5 кг пара. При этих температурах полистирол переходит в высокоэла­стическое состояние, а порообразователь — в газообразное, создавая давление в замкнутых ячейках гранул полистирола, под действием которого гранулы расширяются, увеличиваясь в объеме в 30-50 раз; насыпная масса гранул полистирола при этом снижается с 640 до 18-25 кг/м3. При последующем охлаждении полистирол переходит в твердое стеклообразное состояние, фиксируя при этом конечное состояние гранул. При дальнейшем снижении температуры ниже температуры кипения порообразователя последний конденсируется в порах вспененных гранул полистирола. Получение технологиче­ски необходимой объемной массы пенополистирола зависит от качества исходного материала, температуры, вида, расхода тепло­носителя и времени тепловой обработки. При температуре тепло­носителя выше 105 0C процесс вспенивания гранул полистирола ускоряется, но появляется опасность выхода паров порообразова­теля из гранул полистирола и их усадки. При нормальных режимах вспенивания теряется 1,0-2,0 % исходного порообразователя. При длительной выдержке гранул в теплоносителе при 97-105 0C про­исходит потеря пентана, что приводит к усадке гранул (рис. 2.2). Перевспененные гранулы теряют свою активность и непригодны к дальнейшей переработке в модели.

D = 2,5 мм

1 320

O

240

160

80

Of = 1,5 мм

60 120 180 240

Время, с

Рис. 2.2. Зависимость объема вспененных гранул от температуры

Ю

95 0C

0

1S 400

При нормальных условиях гранулы пенополистирола состоят из трех фаз: твердой — полистирол, жидкой — порообразователь и вода и газообразной — пары порообразователя и воздух. В иде­альном случае поры гранул разделены между собой перегородка­ми, толщина и прочность которых зависят от сил поверхностного натяжения, вязкости и механической прочности полистирола. Диа­метр микроячеек при нормальном вспенивании полистирола со­ставляет 40-150 мкм при средней толщине стенок 5-10 мкм (рис. 2.3). Наряду с закрытыми ячейками присутствуют и откры­тые (около 5 %). Так, при объемной массе пенополистирола марки ПСБ-А 20 кг/м3 процентное соотношение между открытыми, за­крытыми ячейками и стенками из полистирола составляет 95,8 : 2,8 : 1,4. Для пенополистирола марки Фриголит это соотно­шение составляет 95,8 : 3,1 : 1,2 [5].

На второй стадии вспененные гранулы полистирола помещают­ся в пресс-форму, при нагревании которой в интервале температур 110-120 0C происходит вторичное расширение гранул под дейст­вием паров порообразователя и их спекание с образованием еди­ной ячеистой однородной массы, состояние которой фиксируется охлаждением пресс-формы до температуры ниже 80 0C.

Рис. 2.3. Ячеистая структура вспененного полистирола

На качество модели из вспененного полистирола существенное влияние оказывают содержание мономера, количество порообра­зователя в гранулах, относительная вязкость полистирола, насып­ная масса гранул и их размер [5,6, 13].

Мономер-стирол содержится в полистироле в результате не­полной полимеризации стирола, и его содержание в конечном продукте определяется химическим путем. Остаточный стирол влияет на режим вспенивания гранул и формирование модели при спекании пенополистирола в пресс-форме. Он обладает пластифи­цирующими свойствами, но при содержании более 0,5 % вызывает слипание гранул на стадии предварительного вспенивания, и по­этому необходимо снижать его содержание до 0,1-0,3 %.

На скорость вспенивания полистирола, его структуру и механи­ческие свойства оказывает влияние количество, распределение

И молекулярная структура порообразователя. При вспенивании гранул полистирола 1,0-2 % порообразователя улетучивается, дру­гая часть остается в гранулах в виде конденсата и паров. При по­вышенном содержании порообразователя в гранулах пенополи­стирола может произойти деформация модели при ее извлечении из пресс-формы с образованием трещин. При низком остаточном содержании порообразователя в пенополистироле нарушается про­цесс спекания модели в пресс-форме. Поверхность модели имеет явно выраженную ячеистую структуру, при этом значительно снижается ее механическая прочность. Содержание порообразова­теля в полистироле обычно не превышает 5-6 %, однако с целью активизации мелких гранул для получения тонкостенных моделей количество порообразователя в исходном полистироле повышают до 9 %. Молекулярная масса полистирола определяет его механи­ческие и теплофизические свойства и оказывает существенное влияние на режимы его тепловой переработки. Чем выше молеку­лярная масса полистирола, тем выше термовременные режимы его тепловой переработки, при этом повышается его механическая прочность и теплостойкость. В табл. 2.4 приведены физико- химические свойства различных марок полистирола, применяемого для изготовления моделей.

Таблица 2.4

Физико-химические свойства вспенивающегося полистирола

Насыпная масса вспененного полистирола определяет конеч­ную объемную плотность модели. Существует оптимальный ре­жим вспенивания гранул полистирола и окончательного спекания модели в пресс-форме, которые регламентируются не только объ­емной массой модели, но и качеством ее поверхности. На качество модели оказывает существенное влияние скорость набора темпе­ратуры в автоклаве или, другими словами, расход пара. На спека­ние 1 кг модели расходуется от 4 до 40 кг пара. Парогенератор должен обеспечить постоянный расход 1 кг пара в минуту при его температуре 110-120 0C. При нормальном режиме спекания моде­ли теряется всего 1,5-2 % пентана. Если не обеспечить необходи­мый расход пара, то время формирования модели увеличится, что приведет к избыточной потере пентана и ухудшению качества мо­дели. Режимы переработки вспенивающегося полистирола опре­деляются экспериментально для каждой партии, поступающей от изготовителя.

Для изготовления моделей в России используются различные марки литейного и строительного полистирола. В качестве литей­ного полистирола применяются полистирол для вспенивания ма­рок ПСВ-Л и ПСВ-ГМ, основные свойства которых представлены в табл. 2.5 и 2.6. Полистирол марки ПСВ-Л1 имеет повышенную прочность и скорость газификации, ПСВ-Л 1С — повышенную пластичность и меньшее выделение сажи. Для повышения скоро­сти газификации в полистирол при его полимеризации вводят 0,5-0,75 % дикумила, который является радикалообразующим ин­гредиентом. Для уменьшения выделения сажи используется анти­пирины, которые также вводятся в полистирол в процессе его по­лимеризации.

Полистирол ПСВ-ГМ отличается от ПСВ-Л более равномерным гранулометрическим составом, однако наличие гранул большего раз­мера, регламентируемого в ТУ в количестве 6-9 %, требует рассева гранул, особенно при машинном способе изготовления моделей.

Из строительных марок полистирола могут использоваться для изготовления моделей ПСВ-65С и ПСВ-55С, свойства которых представлены в табл. 2.7.

Таблица 2.5

Свойства суспензионного полистирола ПСВ-Л (ОСТ-301-05-202-92Е)

Окончание табл. 2.5

Изготовление газифицируемых моделей в единичном произ­водстве осуществляется механической обработкой из пенополи — стироловых плит, получаемых как из литейных, так и из строи­тельных марок суспензионного полистирола для вспенивания. В табл. 2.8 представлены свойства пенополистирола в плитах из различных марок вспенивающегося полистирола. В соответствии с ГОСТ 15588-70 плиты из пенополистирола выпускаются сле­дующих размеров:

Длина, мм — 900, 1000, 2000, 3000;

Ширина, мм — 800,1000;

Толщина, мм — 10, 25, 50, 100, 120, 150, 200.

Свойства строительного полистирола для вспенивания (ТУ 6-05-1905-81)

Свойства суспензионного полистирола ПСВ-ГМ (ТУ 1416-211-002-03-521-93)

Таблица 2.7

Основные свойства плит из пенополистирола

Допускается отклонение от указанных размеров по длине и ши­рине не более ± 5 мм. К плитам из пенополистирола, применяемым для изготовления моделей, предъявляются следующие требования:

• плиты должны иметь правильную прямоугольную форму, от­клонение от прямого угла не должно превышать 3 мм на длине 500 мм по грани плиты;

• в плитах допускается притупленность ребер и углов на глу­бину не более 10 мм от вершины прямого угла и скосы по сторонам притупления углов длиной не более 80 мм;

• на поверхности плиты не допускаются впадины, царапины и выпуклости глубиной более 5 мм, общая их площадь не должна превышать 2 % площади плиты;

• инородные включения в плитах не допускаются;

• структура плиты должна быть однородной, мелкоячеистой, без включений невспененных гранул.

2.2.2. Определение основных свойств пенополистирола

Полистирол, применяемый для изготовления газифицируемых моделей, должен подвергаться контролю как со стороны постав­щика, так и со стороны потребителя. Особенно важно вести кон­троль по мере его переработки с учетом срока поставки и хране­ния, т. к. свойства полистирола со временем изменяются в основ­ном за счет уменьшения содержания порообразователя. Контроль качества полистирола следует производить по методикам, изло­женным в ТУ, а также по специально разработанным нормативам для определения его технологических свойств как литейного мате­риала для производства отливок [5, 6].

Содержание влаги в исходных гранулах полистирола определя­ется следующим образом. В буксу, предварительно высушенную и взвешенную с точностью до 0,0002 г, помещается полистирол в гранулах, масса которого определяется с аналогичной точно­стью. Открытую буксу с навеской помещают в сушильный шкаф и выдерживают в течение 4 ч при температуре (32 ± 2) °С, а затем помещают в эксикатор на 13-20 мин, после чего буксу взвеши­вают с точностью до 0,0002 г. Содержание влаги определяется по формуле

П

Где Gn и Gnc — масса полистирола до и после сушки соответст­венно.

За результат берут среднее арифметическое двух параллельных измерений влажности при допустимой разности между двумя определениями не выше 0,1 %. Содержание влаги не должно пре­вышать 5 %, т. к. более высокая влажность исходного полистирола затрудняет рассев гранул и заполнение ими пресс-формы.

Гранулометрический состав полистирола имеет важное значе­ние для получения моделей с качественной поверхностью. Для из­готовления тонкостенных моделей сложной конфигурации исполь­зуется полистирол с размером гранул 0,3-0,5 мм, однако при этом желательно иметь более узкий интервал. В технических условиях на поставку полистирола для получения моделей гранулометриче­ский состав строго лимитируется. Определяется гранулометриче­ский состав путем отбора навески массой 50 г из хорошо переме­шанной партии полистирола. Проба подвергается сушке и затем помещается в стандартный ситовой прибор модели 029, на кото­ром просеивается в течение 15 мин. Взвешиванием остатков на ситах с точностью до 0,01 г определяют гранулометрический со­став по формуле

X = — IOO,,

Q)

Где X — остаток на соответствующем сите, %; Qi — масса поли­стирола на соответствующем сите, г; Q0— масса навески, г.

По сумме трех измерений определяется гранулометрический состав полистирола.

Насыпная масса пенополистирола имеет важное значение для получения моделей необходимой объемной плотности с качест­венной поверхностью. Она зависит как от первичных свойств по­листирола, так и от режимов его тепловой переработки. Методика определения насыпной массы состоит в следующем. Навеска по­листирола массой 60-90 г помещается на противень с сетчатым днищем из капроновой ткани, который затем помещается в авто­клав, где выдерживается определенное время при температуре (100 ± 2) 0C. Вспененные гранулы сушат и выдерживают не менее 4 ч, а затем помещают в предварительно взвешенный с точностью до 0,01 г цилиндр (ГОСТ 1770-64) емкостью 100 мл. Пенополи — стирол уплотняют путем постукивания по цилиндру, после чего снова взвешивают с точностью до 0,01 г. Насыпная масса X (г/л) определяется по формуле

Где Wi — масса пустого цилиндра, г; т — масса цилиндра со вспе­ненными гранулами, г.

Насыпная объемная масса пенополистирола зависит от времени вспенивания, с увеличением которого она первоначально умень­шается, а затем растет. Рост насыпной массы связан с усадкой (пе­ревспениванием) гранул, которая происходит вследствие разрыва межпоровых перемычек и выхода паров порообразователя из гра­нул. Минимальная насыпная масса соответствует началу ее роста при увеличении времени вспенивания гранул, что видно из графи­ков, приведенных на рис. 2.4.

54 50 46 42 38 34 30 26 22 18 14 10 6

Рис. 2.4. Зависимость насыпной массы вспененного полистирола от времени вспенивания

4 6 8 10 12 14 16 Время вспенивания, мин

Механические свойства пенополистирола определяются на спе­циально подготовленных образцах. Первоначально получают вы­шеописанным способом пенополистирол с насыпной массой 20 г/л, затем гранулами заполняют полость алюминиевой пресс — формы с внутренними размерами 300х 160×50 мм. Съемная крыш­ка и стенки пресс-формы закрепляются откидными болтами. Тол­щина стенок пресс-формы 5 мм. Стенки пресс-формы перфориро­ваны отверстиями диаметром 1,0 мм с шагом 1,0 см. Пресс-форму с гранулами помещают в автоклав и выдерживают при температу­ре 105-110 0C в течение 15-17 мин. Отсчет времени производится от начала подачи пара в автоклав до момента извлечения из него пресс-формы, которая затем охлаждается до температуры 40 0C. После охлаждения пресс-форма разбирается, и полученный обра­зец извлекается. Образец сушится при температуре 40-60 0C в течение 4 ч, затем определяется его объемная масса. Из получен­ной пластины вырезаются образцы для испытания на сжатие (раз­мером 50 х 50 х 50 мм) и на изгиб (размером 130 х 40 х 40 мм).

Предел прочности при сжатии стсж (кгс/см2) определяется при 10% деформации образца по формуле

P

Где P — нагрузка при 10% деформации, кг; S — площадь образца, см2.

Предел прочности при изгибе определяется при плавном на — гружении со скоростью не более 50 мм/мин. Образец устанавлива­ется между двумя опорами, расстояние между которыми 120 мм. Края опор и наконечника, передающего усилие, должны быть за­круглены радиусом 8 мм. Образец перед испытанием обмеривает­ся с погрешностью не более 0,5 мм. Предел прочности при стати­ческом изгибе Gm (кгс/см2) определяется по формуле

_ 3 Pl СТиз ~ Ibh2′

Где jP — разрушающая нагрузка, кг; / — расстояние между опора­ми, см; h — толщина образца, см; Ъ — ширина образца, см.

Предел прочности при изгибе определяется как среднее значе­ние из пяти испытаний.

Твердость поверхности образца из пенополистирола определя­ется твердомером 071 как среднее значение по пяти точкам замера. Твердость поверхности моделей из пенополистирола зависит от размера вспененных гранул и объемной массы образца. .

Относительная вязкость полистирола характеризует его моле­кулярную массу. Для ее определения берется навеска полистирола массой 0,5 г с точностью до 0,0002 г, которая затем растворяется в 50 мл бензола (ГОСТ 8448-61). Относительная вязкость опреде­ляется по вискозиметру Освальда — Пишкевича с диаметром ка­пилляра 0,6 мм. В широкую трубку вискозиметра вводят 15 мл раствора и погружают его в водный или масляный термостат при температуре (20 ±0,5) 0C на 10 мин. Затем раствор из широкой трубки переливают во второе колено вискозиметра. Время истече­ния раствора от верхней до нижней метки фиксируется секундо­мером. В той же последовательности определяется истечение чис­того бензола. Относительная вязкость рассчитывается по формуле где Ti — продолжительность истечения 1,0% раствора полисти­рола в бензоле, с; T2 — продолжительность истечения чистого бен­зола, с.

Молекулярная масса полистирола определяется по формуле Штаудиндера

M = — C, К

Где г| — относительная вязкость; К — коэффициент, равный 1,8 • IO 4 для 1,0% раствора полистирола в бензоле; С — молярная концентрация полистирола, равная 0,096 моль/л.

Содержание остаточного мономера стирола определяется рас­творением 0,5 г полистирола в 25 мл бензола при добавлении 15 мл раствора Кауфмана. По истечении 30 мин добавляется 10% рас­твор иодистого калия и затем оттитровывается выделившийся иод 0, IN раствором гипосульфата. В той же последовательности про­водится холостой опыт с таким же количеством реактивов. Про­центное содержание остаточного мономера определяется по фор­муле

^c с

Где q\uq2 — количество 0, IN раствора гипосульфида, затраченно­го соответственно на титрование холостой пробой и с навеской полистирола, мл; F — фактор 0,1N раствора гипосульфида; 0,0052— количество стирола, соответствующее 1,0 мл 0,1N рас­твора гипосульфида, г; С — навеска полистирола, г.

Содержание порообразователя в исходных гранулах полисти­рола вычисляется по формуле

Q* = Qo-(Qc + Qn\

Где Q0 — общее содержание летучих, %; Qc — содержание моно­мера в гранулах, %; Qu — содержание влаги в гранулах, %.

Для определения общего содержания летучих в % берется 1,0 г исходных гранул полистирола и помещается в чашку Петри. После взвешивания чашка с навеской помещается под инфракрасную лампу мощностью 500 Вт. Расстояние между лампой и навеской должно быть 0,5 см, время выдержки — 4 мин. Затем чашка по­мещается в эксикатор для охлаждения и взвешивается на аналити­ческих весах. Содержание в % общего количества летучих рассчи­тывается по формуле

Q = ^LJi100

^o с

Где </i и #2 — масса чашки Петри с навеской соответственно до и после сушки, г; С—навеска исходных гранул пенополистирола, г.

Слипаемостъ гранул определяется по следующей методике. В воду при температуре 95-97 0C опускают навеску так, чтобы на 1 м2 поверхности приходилось 0,25 кг полистирола. Гранулы вы­держивают в воде в течение 2 мин при постоянном перемешива­нии. В продолжение вспенивания часть гранул спекается в комки, другая остается свободной. По количеству и размеру образовав­шихся комков визуально определяют класс слипаемости: 0 — гра­нулы не слипаются; 1 — слабая слипаемость, образуются комки размером до 20 мм в поперечном размере; 2 — повышенная сли­паемость, образуются комки размером от 20 до 70 мм; 3 — силь­ная слипаемость, образуются комки размером более 70 мм.

Скорость испарения и газификации пенополистирола опреде­ляется по методу испарения капель, который заключается в том, что образец пенополистирола помещается на нагретую до задан­ной температуры поверхность и определяется время газификации от момента его контакта с поверхностью до конца исчезновения [6]. Для проведения испытания образца на скорость газификации в МВТУ им. Баумана был разработан специальный прибор, общий вид которого представлен на рис. 2.5 [6]. Прибор состоит из печи 1, внутри которой помещен металлический или графитовый блок 2 диаметром 40-50 мм. В блоке на расстоянии 0,2-0,3 мм от поверх­ности установлена термопара 3, показания которой фиксируются милливольтметром 4. На расстоянии 0,8-1,0 мм от поверхности блока закреплена термопара 5, показания которой фиксируются самописцем.

Рис. 2.5. Прибор для определения скорости газификации пенополистирола

При достижении на поверхности блока заданной температуры на него помещается навеска пенополистирола, и печь закрывается кварцевым стеклом. Моменты начала и конца газификации фикси­руются термопарой 5. Скорость газификации и испарения qr (г/с) определяется по формуле

<1г=—> T

Где G — масса образца, г; т — время газификации, с.

За результат принимается среднее значение из 5 определений, причем отклонения данных опыта более чем на 15 % от среднего результата не учитываются.

Скорость плавления пенополистирола определяется по времени плавления образца определенной длины, помещенного на нагре­тый до заданной температуры нагреватель, от момента контакта образца с грузом до полной потери им исходного состояния [6]. Определение скорости плавления образца производится на прибо­ре, который представлен на рис. 2.6.

Где /об — длина образца, мм; тпл — время плавления образца, с.

Прибор состоит из печи 1 и нагреваемого в ней массивного ме­таллического блока 2, температура поверхности которого измеря­ется зачеканенной в нем термопарой 3. Показания термопары фик­сируются гальванометром 4. Образец из пенополистирола 5 разме­ром 15 х 15 х 200 мм закрепляется на острие конца металлическо­го штока 6 и помещается в кварцевую трубку 7. Перед испытанием металлический блок разогревается до заданной температуры, а кварцевая трубка закрепляется на штативе 9. Образец приводится в соприкосновение с нагретым блоком. Перемещение образца фиксируется датчиком 8 и регистрируется осциллографом 10. В трубку подается инертный газ для предотвращения горения пе­нополистирола.

Рис. 2.6. Прибор для определения скорости плавления пенополистирола

Скорость плавления полистирола Viui (мм/с) определяется по формуле

За окончательный результат скорости плавления полистирола принимается среднее арифметическое пяти измерений.

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

Таблица 2.1

Термофизические свойства пенопластов

Окончание табл. 2.1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Где п — 3, 4 или 5.

CH3 I

CH2-C-OH CHi

Сополимер на основе изобутиленоксида имеет структуру:

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

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

CH-CH-OH

\ /

(CH2)tt

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

Таблица 2.2

Сравнительные результаты испытания материалов

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

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

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

Таблица 2.3

Физико-механические свойства сополимера CastPro

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

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

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

Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) является одним из новейших способов производства отливок, появившихся в резуль­тате научно-технической революции во второй половине XX в. на — , ряду с такими технологическими процессами, как вакуум — пленочная формовка, непрерывное литье, литье под низким давле­нием, импульсная формовка и др. Однако наибольший интерес у литейщиков вызвало сообщение о способе литья по моделям, которые не удаляются из формы, а остаются в ней и газифициру­ются под действием тепловой энергии металла, заливаемого в, форму. Такая технология, названная литьем по газифицируемым моделям, решала важнейшую задачу литейного производства — повышение точности отливок до уровня литья по выплавляемым Моделям при издержках производства литья в песчано-глинистые формы (рис. 1.1).

Но прежде чем ЛГМ-процесс стал промышленной технологией, был проделан значительный объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в результате которых были созда­ны специальные модельные материалы и противопригарные по­крытия, технология и оборудование для изготовления моделей, инженерная методика проектирования технологического процесса, оборудование для изготовления форм и т. д.

Основоположником ЛГМ был американский архитектор F. Шроер, который в 1956 г. применил модели из пенополистирола для получения художественной отливки. В 1958 г. он получил па­тент США на способ Cavityls Castings Mold and Method for Making Same. В том же году архитектор А. Дука в лаборатории Массачу­сетсского технологического института получил первую художест­венную отливку из бронзы скульптуры «Пегас» массой 150 кг. В 1961 г. английский архитектор Кларк применил данный способ

Для получения отливки чугунной мачты массой 3500 кг для коло­кола. Однако промышленное применение ЛГМ-процесса началось только спустя четыре года после его изобретения [1,2].

А б

Рис. 1.1. Схема процессов получения отливок: а) традиционная технология; б) по газифицируемым моделям

В развитии ЛГМ-процесса можно условно выделить четыре пе­риода. Первый период охватывает 1958-1970 гг. и характеризуется внедрением данной технологии для производства единичных отли­вок массой от нескольких килограмм до Юти более. Первая про­мышленная отливка массой 12 т была получена в Германии в 1962 г. Спустя год для фирмы «Ford Motors Со» были отлиты две заготовки для штампов массой 6750 и 2700 кг. К концу 1964 г. в 10 литейных цехах различных фирм США применялся ЛГМ-процесс для про­изводства единичных отливок [3]. Активные работы по внедре­нию ЛГМ проводились в ФРГ группой специалистов, возглавляемой проф. А. Виттмозером, которая в 1958 г. приобрела права на патент Шроера. В 1965 г. в таких промышленно развитых странах, как США, Англия, ФРГ, Франция и Япония, было произведено более 40 тыс. т отливок, причем только в США данный способ литья для производства отливок из черных сплавов применяли 35 литейных цехов [4]. В 1963 г. на Международной выставке в Дюссельдорфе экспонаты по ЛГМ-процессу были широко представлены различ­ными фирмами. В 1967 г. создается Международная ассоциация литья по газифицируемым моделям, которая объединила 150 фирм с общим выпуском отливок 800 т в сутки. Быстрое распростране­ние ЛГМ для производства единичных отливок из черных сплавов стало возможным благодаря явным преимуществам данного спо­соба по сравнению с литьем по извлекаемым моделям. Главными из этих преимуществ являются: снижение трудоемкости и стоимо­сти изготовления моделей, увеличение точности отливок и сниже­ние их массы, уменьшение трудоемкости изготовления форм и зна­чительное сокращение цикла изготовления литых заготовок, начи­ная с разработки технологии и заканчивая получением отливки.

Наряду с расширением производства единичных отливок мно­гие научные центры различных фирм проводили интенсивные ра­боты по применению ЛГМ в серийном производстве, чему способ­ствовало опубликование в 1960 г. патента X. Неллина о примене­нии песка без связующего для изготовления формы [6]. По данно­му патенту модель из пенополистирола помещается в контейнер, засыпается сухим песком или другим сыпучим огнеупорным мате­риалом, и форма уплотняется вибрацией, после чего она заливает­ся металлом. Однако применение данного способа для получения отливок сложной конфигурации приводило к браку из-за обвала формы. Поэтому исследования были направлены на изыскание способа упрочнения формы из несвязанных сыпучих материалов. Так, в 1966 г. был опубликован патент Гофмана на способ получе­ния отливок по газифицируемым моделям в магнитной форме [7]. На 35-м Всемирном конгрессе литейщиков проф. А. Виттмозер впервые сделал доклад о магнитной формовке. При данном спосо­бе изготовления формы применяется металлический ферромагнит­ный песок или дробь размером 0,3-0,5 мм. После уплотнения фор­мы вибрацией она помещается в постоянное магнитное поле, кото­рое обеспечивает магнитную связь между частицами наполнителя, что придает форме необходимую прочность, предотвращая ее раз­рушение при заливке металла. Магнитная формовка получила применение в США, Японии и в странах Западной Европы для производства серийных отливок из различных сплавов. В 1970 г. в разных странах работало более 10 полуавтоматических устано­вок магнитной формовки. Швейцарская фирма «Brown Bovery» организовала серийное производство полуавтоматических устано­вок магнитной формовки. В Бельгии одна из фирм применяла маг­нитную формовку для отливки стальной цепи из 40 тыс. звеньев, в Англии другая фирма получала тормозные колодки для железно­дорожного транспорта, в ФРГ изготавливались магнитной формов­кой тройники из серого чугуна массой до 20 кг и муфты из высо­копрочного чугуна, в Нидерландах — сложные тонкостенные от­ливки из чугуна [8]. В Японии работала линия магнитной формов­ки производительностью 20 форм в час при металлоемкости одной формы до 70 кг [9]. Однако магнитная формовка не получила должного применения, т. к. использование дорогостоящего метал­лического песка (дроби) сводило на нет экономические преимуще­ства ЛГМ относительно традиционных способов литья, хотя и обеспечивало более высокое качество отливок. Этому способство­вало и появление в 1968 г. патента на способ получения отливок по газифицируемым моделям в формах из песка с применением ва­куума [10]. Согласно патенту, для формовки используется специ­альный контейнер, оборудованный системой вакуумирования. Га­зифицируемая модель заформовывается в кварцевом песке, кото­рый уплотняется вибрацией. Сверху на форму накладывается по­лиэтиленовая пленка, после чего форма вакуумируется и заливает­ся металлом. Считается, что вакуум предохраняет форму от разру­шения во время ее заливки расплавом.

Второй период развития ЛГМ пришелся на 1970-е гг. и характе­ризуется накоплением опыта изготовления сложных отливок, тех­нологической и технической подготовкой их серийного производ­ства. Создаются региональные научно-производственные объеди­нения и исследовательские центры в составе промышленных фирм и в технологических институтах, которые проводят работы по совершенствованию технологии ЛГМ и оказанию помощи пред­приятиям во внедрении данной технологии для серийного произ­водства отливок из различных сплавов взамен традиционных спо­собов литья. Так, в 1970 г. Общество литья по газифицируемым моделям и фирмы «Correcto Werke», «Grunweid and Hartman», a также «Группа магнитной формовки» (А. Виттмозер и Р. Гофман) подписали соглашение об организации нового объединения под сокращенным названием «VV». Данное объединение обладало правами на 100 патентов и патентных заявок по ЛГМ в европей­ских странах. Оно обслуживало около 50 европейских фирм, ока­зывало им помощь в совершенствовании и внедрении ЛГМ.

В научно-исследовательском центре фирмы «Ford Motors» проводились работы по применению ЛГМ для получения отливок из серого и высокопрочного чугунов и алюминиевых сплавов широкой номенклатуры деталей автомобиля (сплошные и полые коленвалы, зубчатые колеса, шатуны, коллекторы, головка и блок цилиндров и др.). Соответствующие работы проводились фирма­ми «Fiat», «General Motors», «Jut Board Marine», «Deereand Co», «Агсо» и мн. др.

К концу 1970-х гг. уже более чем в 70 литейных цехах различ­ных фирм технология ЛГМ находилась на стадии внедрения или осуществлялся выпуск серийных отливок в промышленных мас­штабах [12]. Накопленный за это десятилетие научный и практиче­ский опыт применения ЛГМ для получения отливок из черных и цветных сплавов стал основой для внедрения данной технологии в серийном производстве широкой номенклатуры отливок в раз­личных отраслях машиностроения в 1980-е гг., которые определя­ют третий период в развитии ЛГМ-процесса. Наибольшие успехи во внедрении ЛГМ были достигнуты автомобильными фирмами. Фирма «Ford Motors» в 1980 г. освоила промышленную установку для производства отливок впускного коллектора из алюминиевого сплава и выпустила 25 000 коллекторов высокого качества. В 1984 г. в этом же цехе была установлена вторая полуавтоматическая линия производительностью 180 форм в час, на которой производство коллекторов было доведено до 3 млн в год, при этом максималь­ный брак литья составлял около 5 %. На старой установке было освоено производство отливок из чугуна: корпус водяного насоса, тормозной диск, выхлопной коллектор, полый коленвал. Данный цех имел производственную площадь 2700 м2 и являлся в то время самым крупным литейным цехом по производству отливок ЛГМ [13]. Фирма «General Motors» в 1982 г. на предприятии «Сатурн» установила автоматическую линию производства ЛГМ головки и блока цилиндров из алюминиевого сплава для дизельного двигате­ля в количестве 1000 отливок в сутки при трехсменной работе. В настоящее время в цехе работают две автоматические линии. На второй линии получают отливки из чугуна: коленвал, корпус диф­ференциала, впускной коллектор и др. В цехе автоматизированы все технологические операции, за исключением заливки форм ме­таллом. Отмечается высокое качество отливок, которые по точно­сти соответствуют литью под давлением, а по качеству поверхно­сти — литью в кокиль. Фирма успешно решила экологическую проблему. При вакуумировании форм во время заливки их метал­лом продукты термодеструкции модели поступают в установку каталитического дожигания газов до углекислого газа и паров во­ды. В цехе работает 180 человек (по 60 в каждой смене). Цех рас­положен под одной крышей с механическим цехом, что говорит об экологической чистоте производства отливок JIFM [14]. Фирма «Robert’s Со» изготовила и освоила шестипозиционную установку производительностью 180 форм в час. Модельные блоки подаются по монорельсу и манипулятором устанавливаются в опоку — контейнер, который засыпается сухим кварцевым песком посред­ством телескопической трубы-дозатора. Форма уплотняется вибра­цией с регулируемым направлением и величиной амплитуды. По­сле заливки формы и извлечения отливки из нее песок поступает в установку кипящего слоя, в которой он обеспыливается, а содер­жащиеся в нем продукты термодеструкции мод еда дожигаются. После охлаждения песок вновь поступает на формовку [15]. Эта же фирма заключила соглашение с фирмой «Badine Aluminum» о создании совместного предприятия по производству отливок из алюминиевых сплавов. Новое предприятие оснащено формовочной линией производительностью 30 форм в час с размером контейнера в плане 1016 х 813 мм. Предприятие обеспечивает литьем свыше 10 потребителей, которые производят строительные машины, элек­тродвигатели и детали для ЭВМ.

По мнению американских специалистов, ЛГМ-процесс является одним из лучших современных способов литья, который может удовлетворить потребности крупносерийного производства отли­вок высокой точности. В сочетании с системой автоматического управления на базе микропроцессорной техники и роботов приме­нение данного способа литья позволит создать гибкое производст­во отливок. Такое положение основано на единой опоке, в которой используется весь ее объем, в отличие от разъемной формы, еди­ном формовочном материале — песке, простоте формовки, не­ограниченном сроке хранения моделей и недорогой оснастке [15].

В 1990-е гт. ЛГМ находит широкое применение в Японии, Корее и Китае. В Японии около 200 фирм используют ЛГМ для произ­водства отливок из различных сплавов. Фирма «Morikawa Sandino» в кратчайший срок приобрела репутацию лидера в производстве отливок ЛГМ и стала ведущей фирмой в разработке технологии и оборудования для данного способа производства отливок. В 1984 г. она начала проводить исследования данного процесса, а уже в 1985 г. стала производить в промышленном масштабе втулки подшипника для двигателя «Honda», гильзы цилиндров из фос — форванадиевого чугуна, коробку дифференциала из высокопрочно­го чугуна, впускные коллекторы из алюминиевого сплава [16]. В КНР создано специализированное предприятие по производству отливок соединительных деталей трубопровода [17]. Фирма «Dong Кик» (Корея) освоила производство фитингов из высокопрочного чугуна по газифицируемым моделям. В 1988 г. в промышленно развитых странах производство отливок ЛГМ осуществлялось бо­лее чем в 100 литейных цехах с месячным выпуском 400 т чугун­ного и 2000 т алюминиевого литья. Еще в 100 литейных цехах ве­лись опытно-промышленные работы по освоению производства отливок из различных сплавов [18]. В Англии в конце 1980-х гг. было сдано в эксплуатацию шесть опытно-промышленных устано­вок для изготовления отливок данным способом. По данным за­рубежных специалистов, количество цехов, работающих по тех­нологии ЛГМ, в ближайшие несколько лет будет ежегодно удваи­ваться [18].

Расширению объемов производства отливок ЛГМ в различных странах способствовало дальнейшее совершенствование техноло­гии и оборудования. Так, фирмы «Castek» (Англия) и «Teksid» (Италия) разработали технологический процесс под фирменным названием Policast, который включает в себя технологию изготов­ления моделей, сборку модельных блоков, их окраску и формовку, заливку формы металлом. Фирмы «FATA» и «Fiat Teksid» построи­ли в Италии два цеха для производства коллекторов автомобиль­ных двигателей по Policast-wpoiiQCcy. В одном цехе выпускаются выхлопные коллекторы из серого чугуна на автоматической линии производительностью 40 форм в час, причем в форме одновремен­но отливаются 8 коллекторов. В другом цехе на автоматической линии производительностью 50 форм в час отливаются впускные коллекторы из алюминиевого сплава.

Ассоциация «SCRATA» (Steel Casting Rusers and Trade Association) разработала технологический процесс ЛГМ под фир­менным названием Replicast в двух вариантах. При Replieast-FM модель из пенополистирола с литниковой системой устанавливается в контейнер и засыпается сухим песком, который затем уплотняет­ся вибрацией. Верх контейнера закрывается полиэтиленовой плен­кой, и в форме создается вакуум порядка 0,04-0,05 МПа, после чего форма заливается металлом. Такая технология ЛГМ позволя­ет получать отливки в форме из песка массой до 2 т, что значи­тельно расширяет область применения ЛГМ-процесса. Способ Replicast-CS (Shell moulding refractory) разработан для производст­ва отливок из высококачественных малоуглеродистых сталей и других сплавов, которые чувствительны к продуктам термоде­струкции пенополистирола. По данному способу на модель из пе­нополистирола повышенной плотности (40-50 кг/м3) наносится керамическая оболочка из 4-5 слоев, как при литье по выплавляе­мым моделям. Толщина оболочки составляет 3,2-4,7 мм. Затем полученная керамическая форма помещается в печь, где при тем­пературе 9300 0C происходит спекание оболочки и выгорание мо­дели. Полученная керамическая оболочка помещается в контей­нер, засыпается кварцевым песком, который уплотняется в кон­тейнере вибрацией, затем полученная форма накрывается поли­этиленовой пленкой, и перед заливкой формы металлом в ней со­здается вакуум порядка 0,04-0,05 МПа. Такая технология позволя­ет получать точные и качественные отливки из низкоуглеродистых марок стали без поверхностного и объемного науглероживания. Ассоциация «SCRATA» передала все права на продажу лицензии по Replicast-YVponQccy фирме «Foseco International», которая за ко­роткое время реализовала 13 лицензий. Фирма «Glencast Ltd» по лицензии фирмы «Foseco» производит до 90 % заготовок штампов. Аналогичные отливки данным способом получает фирма «Haffer — sley Neuman Hender» [20]. Фирма «Bradey and Foster» (Англия) на линии производительностью 6 форм в час получает литьем по га­зифицируемым моделям в вакуумируемые формы из песка круп­ные отливки из жаро — и износостойких чугунов. Это позволило ей полностью отказаться от стержней, а в ряде случаев и от механи­ческой обработки, при этом трудозатраты на очистку отливок со­кратились на 29 %, на формовку — на 28 %, на механическую об­работку — на 9 %. Точность отливок возросла на 13 % [20].

Фирма «Wolverhampton Iron Founders» производит отливки ЛГМ массой от 0,22 до 70 кг. Модели из пенополистирола поставляет фирма «Foseco». На модели наносится противопригарное покры­тие, и затем с литниковой системой они устанавливаются в кон­тейнер емкостью 1 м3, в котором заформовываются сухим песком.

Формовка, заливка формы металлом, охлаждение отливки в форме и ее выбивка производятся на горизонтально замкнутом конвейере. На позициях заливки и охлаждения формы вакуумируются. Цикл изготовления одной формы составляет 7 мин. Применение ЛГМ позволило в 3 раза повысить точность отливок и на 40 % сократить трудоемкость финишных операций. Фирма освоила производство отливок из высокопрочного чугуна и легированной стали [20].

Английская фирма «Неггу Bar Metal Со» заменила технологиче­ский процесс литья в кокиль на ЛГМ для производства отливок из алюминиевых сплавов. Фирма поставляет впускные коллекторы, корпуса водяных насосов и другое литье автомобильным предпри­ятиям. Опыт работы фирмы показал высокую эффективность ЛГМ при получении сложных тонкостенных отливок повышенной точ­ности, при этом стоимость пресс-форм для моделей из пенополи­стирола соизмерима со стоимостью кокиля [20].

В литейном цехе фирмы «Peugeot» установлена автоматиче­ская линия производительностью 60 форм в час для ЛГМ 4-ци­линдрового блока дизельного двигателя. Линия имеет три пози­ции формовки. На первой позиции контейнер засыпается на 1/3 высоты сухим кварцевым песком, который затем приводится в псевдожидкое состояние за счет подачи воздуха под давлением в нижнюю часть контейнера. Блок, состоящий из двух моделей и литниковой системы, манипулятором погружается в кипящий слой песка. На второй позиции контейнер засыпается песком до­верху, и форма уплотняется вибрацией. На третьей позиции кон­тейнер досыпается песком, и сверху формы устанавливается груз. Заливка форм производится при помощи автоматической зали­вочной установки при строгом контроле температуры металла. При заливке форма вакуумируется (без наложения пленки). Перед выбивкой форма продувается воздухом, и выделяющиеся газы поджигаются постоянно горящим газовым факелом. Модели из пенополистирола поставляет фирма «Saplest», которая специали­зируется на производстве различных изделий из пенополистиро­ла. В литейном цехе фирмы «Sitroen» ЛГМ отливаются рычаги подвески автомобиля. Фирма «Passavant Werke» (Германия) имеет цех ЛГМ мощностью 7600 т в год, в котором производятся отливки нефтяных сепараторов трех типоразмеров массой 90, 190 и 250 кг в количестве 48 тыс. комплектов. При переходе на ЛГМ с песча- но-глинистой формовки по извлекаемым моделям количество брака снизилось с 8-10 до 3-5 % [20].

Общество «SAFAM» впервые в Европе разработало и внедрило автоматическую линию для производства отливок из ковкого чугу­на по газифицируемым моделям. Линия состоит из горизонтально замкнутого конвейера, автоматов для изготовления форм и их вы­бивки после охлаждения отливок, установки регенерации песка в кипящем слое. Контейнер размером 840 х 840 х 920 мм заполня­ет песком специальный быстродействующий распределитель. Про­изводительность линии 120 форм в час. Отливки имеют повышен­ную размерную точность и низкую шероховатость поверхности, сокращены операции обрубки, очистки литья и значительно улуч­шились условия труда [21]. В научно-исследовательском центре «Уогерре» фирмы «Pechiney Group» в г. Гренобле разработана тех­нология литья по газифицируемым моделям с применением изо — статического прессования металла в процессе его кристаллизации, что позволило значительно снизить пористость отливок из алюми­ниевых сплавов. Отливки изготавливаются на 8-позиционной кару­сельной установке производительностью 80 форм в час. Отмечается, что данная технология снижает себестоимость литья на 20 % [22].

Широкое внедрение ЛГМ в крупносерийном производстве стало возможным благодаря созданию высокопроизводительного автома­тизированного оборудования и систем управления технологиче­ским процессом на основе применения микропроцессорной техники и ЭВМ. Так, например, фирмы «Fiat Teksid» и «FATA ALUMINIUM» создали комплекс оборудования для производства отливок по тех­нологии Policast. Модели изготавливаются на специальных авто­матах производительностью 40-50 съемов в час. Склейка моде­лей посредством термоклея происходит на вакуумном прессе производительностью 50 циклов в час. Сборка модельных блоков осуществляется на карусельной установке производительностью 120 циклов в час методом сварки при температуре 150 °С. Модель­ный блок роботом-манипулятором окрашивается методом окуна­ния в баке с противопригарным покрытием, содержащим тиксо — тропные добавки. Другой манипулятор устанавливает готовые мо­дельные блоки в опоки и поддерживает их при формовке сухим кварцевым песком. Заливка формы металлом, охлаждение отливки и выбивка формы происходят на автоматической линии. В процес­се выбивки манипулятор извлекает блок отливок из опоки и укла­дывает в специальную тару, которая по мере заполнения транспор­тируется на участок финишной обработки [20]. Технология Poli — cast и весь комплекс оборудования демонстрировались фирмами на международных выставках в Москве (1968) и в Дюссельдорфе (1989). В настоящее время многие зарубежные фирмы выпускают специализированное оборудование для производства отливок ЛГМ, среди которых следует назвать следующие: «Robinson Foun — drey», «Vulcan Engineering», «Intermets Research Foundrey», «Ford Motors», «Plant Robert», «Агсо», «Founder Automation», «CS Cast» в США, «Pechiney» во Франции, «Wolverhampton Iron Founders» в Англии и мн. др. Крупным производителем литейного оборудова­ния, в том числе для ЛГМ, является фирма «Maverey Group», в ко­торую входят такие фирмы, как «Moverek Fordath», «Магегех Inter­national», «International Keting Accociates», «Movertnern Engineering», «Bobrek Engineering», «Parts and Servic» и др. [20, 23]. В 1980-е гг. ЛГМ окончательно утвердилось в серийном и массовом производ­стве отливок ответственного назначения, потеснив традиционные способы литья, и в первую очередь в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям.

Представители многих зарубежных фирм этот факт объясняют следующими преимуществами ЛГМ [20]:

• уменьшаются затраты на оборудование и материалы;

• исключаются из производственного процесса стержневое, формовочное и смесеприготовительное оборудование;

• применение в качестве материала формы сухого кварцевого песка и упрочнение формы вакуумом;

• снижение требований к квалификации рабочего персонала;

• возможность комплексной автоматизации всего технологиче­ского процесса;

• сокращение числа технологических операций и оборудова­ния для финишной обработки отливок;

• использование недорогой и сравнительно простой оснастки;

• значительное улучшение условий труда.

Для 1990-х гг. характерны дальнейшее расширение объема производства отливок ЛГМ, появление крупных фирм и объеди­нений, комплексно решающих вопросы внедрения технологии и оборудования, создание новых технологий на основе ЛГМ. Анг­лийская фирма «Avto Ellois» начала свою деятельность по иссле­дованию ЛГМ в 1988 г. и через несколько лет стала одной из ве­дущих фирм по внедрению данной технологии в различных стра­нах мира, за что Британский институт литья наградил ее культо­вым мечом. В 1989 г. на коммерческих началах фирма внедрила технологию ЛГМ в Австралии, в 1994 г. — в Северной Америке, в 1995 г. — в Индии. Разработанному технологическому процессу производства отливок по газифицируемым моделям фирма дала название Stirocast. Особенностью этого процесса является гаран­тия получения отливок высокого качества при низких капиталь­ных затратах. Фирма считает, что ЛГМ станет основной техно­логией производства высококачественных отливок в XXI в. [24]. В г. Эйндховен (Голландия) компания «ГЕМКО» проводит работы по технологии, проектированию участков и цехов, оснащению их оборудованием для производства отливок ЛГМ. В 1997 г. в Центре разработки и внедрения технологии была освоена установка литья по газифицируемым моделям производительностью 40 съемов в час при металлоемкости одной формы до 160 кг, которая предназнача­лась для демонстрации технологии ЛГМ заказчикам. Эта фирма проводит активную работу по внедрению данной технологии в раз­личных странах, в том числе и в России [21].

В конце 1990-х гг. в США работало 75 литейных цехов, которые производили более 115 тыс. т отливок в год ЛГМ, в Европе свыше 100 цехов выпускали более 125 тыс. т, в Японии и Китае более 200 цехов и участков производили около 100 тыс. т литья в год. По данным фирмы «Vulcan Engineering Со», в 1997 г. общий объем производства отливок по газифицируемым моделям составил 460 тыс. т в год [18, 25].

В СССР исследования ЛГМ были начаты в 1963 г. инженером А. Чудновским в Научно-исследовательском институте специаль­ных способов литья (г. Одесса), и в том же году ему было выдано авторское свидетельство на отечественный вариант ЛГМ [21]. Про­мышленное применение данная технология получила уже в 1965 г. на Горьковском автомобильном заводе, где была получена первая пар­тия отливок (227 наименований, общая масса около 100 т). В первом полугодии 1966 г. на этом же заводе было произведено 600 отливок массой от 18 до 3500 кг (общая масса более 420 т). В середине 1960-х гг. активизируются работы по исследованию технологии ЛГМ в различных научно-исследовательских институтах и в вузах. В первую очередь надо отметить следующие организации, в кото­рых научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы получили приоритетное развитие: НИИСЛ (г. Одесса), МВТУ им. Баумана, ВНИИЛитмаш, Московский автомеханический инсти­тут (МАМИ), Московский авиационно-технологический институт (МАТИ), ЦНИИТМаш (г. Москва), ВПКТИСтройдормаш (г. Киев), Харьковский филиал ВНИИЛитмаш. В 1965 г. при Научно-техни­ческом обществе машиностроительной промышленности был соз­дан Комитет литья по газифицируемым моделям под руководством д. т. н., проф. Г. Ф. Балавдина, который существует и по настоящее время в составе Российской ассоциации литейщиков. В те годы комитет сыграл значительную роль в координации научно- исследовательских работ и пропаганде нового способа производст­ва отливок. В то время советскими учеными-литейщиками были разработаны теоретические основы производства отливок в фор­мах из песка без связующих компонентов [4, 27], теория формиро­вания отливок [27, 28], технологические основы проектирования ЛГМ, создан специальный литейный пенополистирол ПСВ-Л для газифицируемых моделей [29].

В 1970-е гг. в СССР сформировались научно-технические центры по разработке технологии и оборудования для ЛГМ в Институте проблем литья Академии наук Украины (г. Киев), в ВПКТИСтрой — дормаш (г. Киев), в Харьковском филиале ВНИИЛитмаш. В эти годы началось внедрение ЛГМ в единичном и серийном производ­стве отливок. В 1971 г. был пушен первый в стране цех серийного Производства отливок по газифицируемым моделям в г. Прилуки (Полтавская обл.) мощностью 200 т литья в год. Участки и цеха различной мощности создаются на Ивановском автокрановом за­воде, Гомельском экскаваторном заводе, Брянском заводе иррига­ционных машин, Могилевском лифтостроительном заводе, Мос­ковском заводе «Динамо», Электростальском заводе тяжелого ма — щиностроения, Волжском автомобильном заводе и др. Создаются первые цеха магнитной формовки на Курганском арматурном заво­де и Белоцерковском заводе сельхозмашиностроения. Проводятся работы по производству крупных стальных отливок на Невском машиностроительном заводе. Технология ЛГМ внедряется на Дрогобыческом автокрановом заводе, Курганском машинострои­тельном заводе, Белопольском заводе пищевого машиностроения, Одесском заводе «Центролит». Наряду с внедрением технологии литья по газифицируемым моделям в научно-производственных центрах проводятся работы по ее совершенствованию. Так, в НИИСЛе (г. Одесса) на основе ЛГМ был разработан новый тех­нологический процесс получения отливок в вакуумируемые формы из песка массой до 2000 кг под фирменным названием ГАМОЛИВ, который был успешно внедрен на Одесском заводе «Центролит». В ИПЛ АН УССР (в настоящее время Физико-технический институт металлов и сплавов) был разработан процесс ЛГМ с применением вакуума и заливки формы металлом под регулируемым давлением, который получил название ГАМОДАР. В Москве в НИИТАвто- проме организуется новый научно-технический центр по ЛГМ, ко­торый в 1990-е гг. становится основным разработчиком технологии и оборудования в России.

В конце 1980-х и начале 1990-х гг. разрабатываются крупные проекты цехов серийного производства отливок ЛГМ для ряда за­водов России, Украины, однако в связи с резким спадом производ­ства в результате распада СССР работы по реализации данных проектов сворачиваются. Резко сокращается финансирование на­учно-исследовательских работ, закрывается ряд научно-техниче­ских центров, затем научно-исследовательские работы практиче­ски прекращаются. Однако достигнутые в предшествующие годы успехи в области технологии и оборудования вызывают интерес зару­бежных производителей литья. Так, АО «Камет» (старое название — ВПКТИСтройдормаш) успешно внедрил технологию и оборудование для производства отливок ЛГМ в Судане, АО «НИИТАвтопром» — в Болгарии, ФТИМС (бывший НМЛ АН УССР)— в Румынии и Польше. Интерес к работам по ЛГМ проявляют фирмы Турции, Ирана, Вьетнама, Индии и других стран. В середине 1990-х гг. на­метилась тенденция роста заинтересованности промышленных предприятий и фирм к технологии ЛГМ, что объясняется возрос­шими требованиями к качеству отливок со стороны потребителей литья, а также гибкостью данной технологии при сравнительно низких капитальных затратах на ее внедрение. На ряде заводов Украины создаются мелкие участки производства отливок ЛГМ, оснащенные системой вакуумирования формы при ее заливке ме­таллом, установками каталитического дожигания продуктов тер­модеструкции модели и регенерации отработанного песка. В Рос­сии на ОАО «Волжский литейно-механический завод» (ныне — ОАО «Волжский завод точного литья») создан цех, оснащенный высокопроизводительным оборудованием отечественного изготов­ления для производства отливок из серого и высокопрочного чугуна мощностью 5 тыс. т в год. В цехе предусмотрены регенерация отра­ботанного песка и каталитическое дожигание продуктов термоде­струкции модели. Работы по завершению процесса внедрения обо­рудования и технологии проводились на заводе на основании про­граммы Правительства Российской Федерации НИИЛитмаш, МГИУ и ОАО «СММ» (Специальное машиностроение и металлургия). В 1993 г. по технология ЛГМ на ОАО «Южноуральский арматурно — изоляторный завод» пущен цех по производству изоляторов и ар­матуры высоковольтных линий электропередачи из высокопроч­ного чугуна мощностью 500 т. В конце 2000 г. технология ЛГМ внедряется на ЗАО «Златоустовский литейный завод "Метапласт"», на заводе «СОЭЗ-Автодеталь» для производства отливок из алю­миниевых сплавов для ВАЗа, на ООО «АКС» (С.-Петербург) для производства отливок из медных и углеродистых сплавов взамен литья по выплавляемым моделям. ООО «АКС» в настоящее время является единственным в России разработчиком и поставщиком механизированных линий формовки, заливки и выбивки форм и другого оборудования для цехов и участков литья по газифици­руемым моделям. Отливки из медных сплавов производятся на ООО «Металит» (г. Ижевск). Научно-исследовательские работы по данному процессу проводятся на кафедре литейного производства МГИУ под руководством автора. Технология ЛГМ в настоящее время внедряется на многих предприятиях Российской Федерации.

За последние 40 лет на основе применения газифицируемой мо­дели были разработаны технологические процессы, которые предо­пределили широкое внедрение ЛГМ в промышленность (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Перечень различных способов литья по газифицируемым моделям

Способы ЛГМ

Литье по газифицируемым моде­лям (ЛГМ)

ЛГМ в формах из сухого песка без связующих компонентов

ЛГМ в формах из песчано — глинистой формовочной смеси

ЛГМ в формах из жидких само­твердеющих смесей

Область применения

Обобщенное название всех спосо­бов литья по газифицируемым мо­делям

Единичное, серийное и крупносе­рийное производство отливок из СЧ, ВЧ, КЧ и стали, медных и алю­миниевых сплавов при массе отли­вок до 50 кг

Единичное производство отливок из черных и цветных металлов мас­сой до 500 кг

Единичное производство отливок из черных металлов массой до 5000 т

Способы ЛГМ

ЛГМ в формах из холоднотвер­деющих формовочных смесей

ЛГМ в формах из ферромагнит­ных сыпучих материалов в маг­нитном поле, магнитная формов­ка

ЛГМ в формах из песка с приме­нением вакуума

ГАМОЛИВ-процесс — фирменное название ЛГМ в формах из песка с применением вакуума

ГАМОДАР-проирсс — фирменное название ЛГМ в формах из песка с применением вакуума и регули­руемого давления при заливке металла

Policast — фирменное название ЛГМ-процесса, при котором мо­дели собираются в куст на стояке

Replicast-FM— фирменное на­звание производства отливок в формах из песка с применением вакуума

Replicast-CS — процесс — фирмен­ное название процесса литья с применением пенополистиро — ловой модели, которая предвари­тельно удаляется из керамической формы при ее прокаливании. За­тем оболочка заформовывается в песке и форма вакуумируется

Область применения

Единичное производство отливок из черных металлов массой до 30 т

Серийное и крупносерийное про­изводство отливок из черных и цветных сплавов массой до 50 кг

Единичное, серийное и массовое производство отливок из черных и цветных сплавов массой по чугуну до 2000 кг

Производство серийных отливок из чугуна массой до 2000 кг

В серийном производстве отливок из черных и цветных сплавов мас­сой по чугуну до 20 кг

Серийное и крупносерийное про­изводство отливок в основном из алюминиевых сплавов

Серийное и крупносерийное про­изводство отливок из черных и цветных сплавов

Продолжение табл. 1.1

Серийное производство отливок из низкоуглеродистых и легированных сталей

Способы ЛГМ

ЛГМ с заливкой формы методом вакуумного всасывания

ЛГМ с применением изостатиче — ского давления в процессе крис­таллизации металла

Литье по газифицируемым моде­лям по Stirocast-npou?ccy (гаран­тия качества)

Область применения

В серийном производстве отливок из черных и цветных сплавов мас­сой до 5 кг

Серийное производство отливок из алюминиевых сплавов

Окончание табл. 1.1

Серийное производство отливок из черных и цветных сплавов