- .
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
Вид сплава |
Температура заливки, 0C |
Разница температур T1 — T2, 0C |
Удельная теплота термодеструкции, кДж/кг |
Бронза |
1100 |
31 |
9200 |
Чугун |
1300 |
35 |
10 118 |
Сталь |
1550 |
55 |
И 131 |
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
Толщина стенки, мм |
Серый чугун |
Среднеуглеродистая сталь |
|
До 5 |
1400-1500 |
- |
|
5-10 |
1375-1465 |
1595-1635 |
|
10-20 |
1355-1435 |
1595-1605 |
|
Толщина стенки, мм |
Серый чугун |
Среднеуглеродистая сталь |
|
20-50 |
1335-1414 |
1595-1600 |
|
50-100 |
1265-1375 |
1575-1585 |
|
100-200 |
1235-1335 |
1565-1585 |
|
Более 200 |
1215-1315 |
1555-1585 |
|
Таблица 4.3
Рекомендуемые температуры заливки медных сплавов, 0C
Медные сплавы |
Средняя толщина стенок отливки, мм |
||
10 |
20 |
40 |
|
Бр. ОЦСНЗ-7-5-1 |
1120-1170 |
1100-1150 |
1100-1120 |
Бр. АМц 90-2 |
1130-1180 |
1100-1150 |
1100-1130 |
ЛК 80-ЗЛ |
980-1030 |
950-1000 |
950-980 |
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)
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
Ryv SMo |
VY/ Делю >о |
Г.—- V ‘ мет . Me" |
Галл |
..’; Форма ;
I v^ <к
•СМодель^ |
||
С ‘ |
5о |
|
I А; |
||
I в3 |
) |
Фз |
V Мет |
||
Металл |
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
Толщина стенки модели, мм |
Размер гранул, мм |
Объемная масса модели, кг/м3 |
Более 14 |
1,2-1,8 |
13-30 |
10-14 |
1,1-1,3 |
15—40 |
8-10 |
0,7-0,9 |
17-40 |
6-8 |
0,3-0,7 |
17-40 |
4-6 |
0,2-0,5 |
22-44 |
Вспенивание гранул полистирола можно производить различными способами: в горячей воде, паровой ванне, потоке пара, потоке горячего воздуха и электромагнитном поле высокой частоты.
Вспенивание в горячей воде осуществляется при температуре 95-100 0C. Гранулы полистирола засыпаются тонким слоем в короб, который закрывается крышкой. Днище короба и крышка выполнены из капроновой ткани или медной сетки. Короб с гранулами погружается в кипящую воду на такую глубину, чтобы верх короба был перекрыт кипящей водой. После выдержки в воде в течение заданного времени короб извлекается и помещается в сушило, температура в котором 25-30 0C. Сушку можно производить и на противнях при комнатной температуре. Съем вспененного полистирола с 1 м2 поверхности водяной ванны составляет 0,5- 1,0 кг/ч. Процесс вспенивания в водяной ванне отличается стабильностью, т. к. поддерживать заданную температуру воды сравнительно легко. Однако в связи с низкой производительностью процесса вспенивания в водяной ванне, высокой остаточной влажностью гранул (до 250 %) и комкованием (слипанием) в процессе вспенивания данная технология не получила промышленного применения. Зависимость насыпной массы вспененного полистирола от времени его выдержки в кипящей воде представлена на рис. 2.7.
Вода 100 0C
1 —фр. 0,5-1,0 мм
2 —фр. 1,0-1,6 мм
Vg 0,07 г
§ 0,03 -
О
^ 0,06 -
1
4 — фр. 2,5-5,0 мм
5 — без рассева
О
Я 0,02 -
0,01 -2
3
3 —фр. 1,6-2,5 мм
0 4 8 12 16 20
Время вспенивания, мин
Рис. 2.7. Зависимость насыпной массы гранул полистирола от продолжительности вспенивания в кипящей воде
Вспенивание паром гранул полистирола производится при температуре 95-105 0C тремя способами: статическим, кинетическим и динамическим. При статическом способе исходные гранулы равномерным слоем засыпаются в противень с днищем из капроновой или медной сетки, который помещается в бак над кипящей водой. Бак закрывается крышкой, вследствие чего температура пара над кипящей водой стабилизируется в пределах 96-98 0C. Противень выдерживается в паровой ванне заданное время, которое исчисляется после закрытия ванны крышкой. Вспенивание гранул в паровой ванне требует большего времени, чем в кипящей воде, но за счет значительного сокращения времени сушки общий цикл переработки полистирола значительно сокращается. Статическое вспенивание паром гранул полистирола можно производить в автоклаве. В этом случае противень с гранулами помещают в автоклав, после закрытия которого в него подается пар при температуре 100-105 0C. После заданного времени выдержки, исчисление которого начинается после закрытия автоклава и подачи в него пара, противень извлекается. Вспенивание гранул полистирола в автоклаве позволяет получить вспененные гранулы с низкой влажностью и значительно сократить время сушки. Однако вспенивание в автоклаве применяется крайне редко из-за сложности обслуживания автоклава.
Кинетическое вспенивание гранул полистирола осуществляется несколькими способами. Одним из них является способ вспенивания гранул во встречном потоке гранул и пара, при котором по трубопроводу инжектируются воздухом гранулы полистирола и подается пар под давлением по ходу движения гранул. Нагрев гранул и их вспенивание происходят в совместном движении паровоздушной среды и гранул полистирола. Производительность такой установки зависит от взаимной скорости перемещения паровоздушного потока и гранул [11].
При кинетическом способе вспенивание гранул осуществляется в лопастных и шнековых мешалках, в камеру которых подаются непрерывно или дискретно гранулы полистирола и острый пар при давлении 50-180 кПа. На вспенивание 1 кг гранул полистирола необходимо обеспечить расход не менее 0,3-0,5 кг пара. По мере вспенивания гранулы перемещаются лопастями мешалки или шнеком к разгрузочному окну. Насыпная масса пенополистирола регулируется или положением разгрузочного окна, или скоростью перемещения гранул в процессе вспенивания. Установки, работающие по такому принципу, имеют высокую производительность и применяются в цехах средней и большой мощности. В современных автоматических установках вспенивание гранул полистирола и последующая их сушка происходят в одном агрегате, что значительно сокращает общий цикл подготовки пенополистирола.
Динамический способ вспенивания гранул полистирола основан на непрерывном течении пара через неподвижный объем гранул при атмосферном давлении с удалением отработанного пара. При таком процессе поверхность гранул освобождается от конденсата, который затрудняет теплообмен между паром и гранулами; кроме того, отсутствие избыточного давления в камере способствует свободному расширению гранул, что позволяет получать модели с минимальной объемной массой (рис. 2.8) [12].
Время вспенивания, с
Рис. 2.8. Зависимость насыпной массы гранул полистирола при динамическом способе вспенивания паром при температуре: 1 — 135 0C; 2 — 120 0C; 3 — 105 0C; пунктиром показана зависимость при статическом вспенивании в паровой ванне
Предварительное вспенивание гранул полистирола можно производить в потоке горячего воздуха при температуре 100-110 0C, однако цикл вспенивания при таком процессе более длителен, чем в водяной ванне или паром, ввиду низкого коэффициента теплообмена [11].
Разработан способ вспенивания гранул полистирола в электромагнитном поле высокой частоты (ТВЧ), при котором гранулы предварительно смачиваются водой, содержащей электролит. Преимущество способов вспенивания в потоке горячего воздуха и ТВЧ по сравнению с другими состоит в том, что после вспенивания не требуется последующая сушка [11].
Все вышеприведенные способы вспенивания гранул полистирола не всегда обеспечивают требуемое качество моделей. Для получения гранул необходимой насыпной массы используются различные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их вспенивания. По данным [14, 15], для получения качественных моделей регламентируется их объемная плотность в пределах 16— 24 кг/м3. Для получения моделей с такой плотностью используются два способа вспенивания. По первому способу вспенивание производится паром в вакууме, что обеспечивает снижение насыпной плотности гранул до 16-20 кг/м3. Модели из таких гранул применяют для получения отливок из стали, ковкого и серого чугунов. При втором способе в процессе вспенивания используется повышенное давление, создаваемое сжатым воздухом, что позволяет получать гранулы пенополистирола с насыпной плотностью 20- 21 кг/м3. Модели из такого пенополистирола рекомендуется применять для получения отливок из алюминиевых сплавов и чугуна.
После вспенивания гранулы полистирола подвергаются сушке и активации. Сушка осуществляется или в потоке теплого воздуха при температуре 25-30 0C, или стационарно при нормальной температуре под вытяжным зонтом. Процесс активации гранул связан с изменением агрегатного состояния порообразователя и диффузионными процессами, протекающими в объеме гранул после их вспенивания. При охлаждении гранул порообразователь конденсируется, вследствие чего в порах гранул образуется вакуум, который заполняется воздухом; в результате возрастает способность гранул к повторному расширению, которое обеспечивает их спекание при повторном нагреве в замкнутом объеме пресс-формы. Процесс активации гранул протекает во времени при взаимной диффузии воздуха вовнутрь гранул и паров порообразователя из гранул. Первоначально процесс диффузии воздуха превалирует над процессом обратной диффузии порообразователя из гранул, однако по мере заполнения вакуума эти процессы сначала взаимно уравновешиваются, а затем начинает превалировать процесс диффузии порообразователя. Процесс активации гранул продолжается от 2 до 12 ч, после чего в течение 12 ч пенополистирол сохраняет свою активность, а затем она начинает падать. Исследования и практика показывают, что хранение пенополистирола более 24 ч снижает его активность и делает непригодным для получения качественных моделей. Для уменьшения потерь порообразователя применяют вещества с большой молекулярной массой, такие как изопентан (CH3)2CH CH2CH3 с молекулярной массой 72,5 и пентан CH3(CH2)3CH3 с молекулярной массой 72,15.
Для активации гранул с целью получения моделей с низкой плотностью и качественной поверхностью применяются различные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их выдержки. Для уменьшения насыпной массы гранул применяют повторное вспенивание их после активации, что позволяет получать модели с объемной плотностью 14-16 кг/м. В [16] предлагается предварительно вспенивать гранулы до минимальной насыпной массы 12-14 кг/м3, а затем, после активации, подвергать их обжатию в резиновых вальцах до сокращения первоначального объема на 20 %. При изготовлении моделей из таких гранул в пресс — формах время их спекания сокращается в 2 раза, улучшается плотность модели и качество ее поверхности. Данный способ активации гранул был практически осуществлен для изготовления крупных моделей при использовании исходной фракции полистирола от 1,0-1,5 до 2,5-3,0 мм.
2.3.2. Технология изготовления моделей
Производство моделей основано на процессе вторичной тепловой обработки гранул в замкнутом объеме пресс-формы. Технологический процесс изготовления моделей состоит из следующих операций: подготовка гранул пенополистирола, подготовка пресс — формы, заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола, тепловая обработка пресс-формы, охлаждение пресс-формы, извлечение модели из пресс-формы, сушка модели, выдержка модели после сушки и контроль качества модели. Существенным недостатком вспененных гранул полистирола является их склонность к комкованию, которое происходит из-за химического (слипание) или электрического взаимодействия между гранулами. Оба эти фактора затрудняют нормальное заполнение пресс-формы гранулами. Слипание гранул может происходить по двум причинам: высокое содержание свободного стирола в полимере или недостаточная промывка водой гранул полистирола после его полимеризации. Обе эти причины являются результатом нарушения технологического процесса производства полистирола. Для устранения слипаемости гранул в процессе вспенивания они обрабатываются 0,02-0,2% раствором поверхностно-активного вещества, например стеарата кальция или цинка, в воде [11].
Возникновение электрических зарядов на поверхности гранул обусловлено различными внешними факторами, которые сопутствуют технологическому процессу изготовления моделей. Главной причиной является трение гранул между собой и о стенки трубопроводов, в бункерах их хранения, при сушке гранул, рассеивании и других видах транспортировки. В табл. 2.10 представлена зависимость электролизации гранул от скорости их перемещения и высоты падения. Значительное влияние на электролизацию гранул из полистирола оказывает материал трубопроводов, по которым транспортируются гранулы, что видно из результатов исследования, приведенных в табл. 2.11.
Таблица 2.10
Электролизация гранул полистирола при движении
Диаметр гранул, MM |
Усредненное значение потенциала датчика, кВ |
|||
Высота падения, мм |
Скорость движения, см/с |
|||
250 |
500 |
70 |
90 |
|
3,0 |
3,6 |
4,0 |
1,2 |
2,9 |
4,0 |
2,7 |
3,0 |
1,0 |
2,9 |
5,0 |
1,4 |
1,5 |
0,6 |
1,6 |
Таблица 2.11
Влияние материала трубопровода на электролизацию гранул из полистирола
Размер гранул, мм |
Усредненное значение потенциала датчика, кВ |
|
Поливинилхлорид |
Медь |
|
0,5 |
7,7 |
6,515 |
0,5-1,0 |
6,9 |
3,15 |
1,0-1,5 |
6,8 |
2,52 |
При исследовании зависимости характера электролизации гранул полистирола от диэлектрических свойств контактирующих материалов было установлено, что контакт с полистиролом и поливинилхлоридом способствует образованию положительного заряда на поверхности гранул, а с медью, стеклом, алюминиевыми сплавами — отрицательного [11].
Учитывая способность гранул полистирола к накоплению статического электричества, необходимо принимать специальные меры техники безопасности, которые заключаются в использовании токопроводящих систем транспорта и хранения полистирола при их надежном заземлении. После вспенивания и сушки гранул пенополистирола их следует обрабатывать антистатиком для снижения статического заряда электричества и улучшения заполняемо — сти пресс-форм.
Для предотвращения адгезии пенополистирола к стенкам пресс — формы их необходимо периодически смазывать разделительным составом, например водной эмульсией мыла и талька следующего состава: на 1 л воды по 25 г талька и хозяйственного мыла. Применение в качестве разделительного покрытия кремнийорганиче — ской жидкости позволяет многократно использовать пресс-формы для изготовления модели.
Заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола является операцией, влияющей непосредственно на качество модели. Пресс-формы заполняются гранулами путем эжектирования их сжатым воздухом при помощи специального устройства или ручным пистолетом-эжектором. На процесс заполнения пресс-формы гранулами оказывают влияние давление воздуха, подводимого к эжектору, и наличие отверстий (вент) в пресс-форме или щели по ее разъему для выхода отработанного воздуха. Для удаления воздуха из пресс-формы в ее стенках устанавливаются венты или делаются отверстия диаметром 0,5-1,0 мм. На модельных автоматах кроме перфорации пресс-формы применяется ее вакуумирование при заполнении пресс-формы гранулами. Под действием сжатого воздуха происходит деформация гранул в пресс-форме за счет сил фильтрации, величина которых пропорциональна разности давлений на входе и выходе воздуха из пресс-формы. Обычно давление воздуха, подаваемого к задувному устройству, составляет 0,3- 0,5 МПа, но при этом необходимо учитывать, что чем выше давление воздуха, тем плотнее получаются модели при одной и той же насыпной плотности гранул пенополистирола.
Активность гранул или их способность к максимальному расширению при повторном нагреве в пресс-форме имеет решающее влияние на качество модели при равных условиях заполнения пресс-формы и термовременных режимов ее обработки. Активность гранул можно определить по формуле
A=I — Ьыа_9 Y
Где Ymin — минимальная объемная плотность вспененного полистирола, кг/м2; у — расчетная объемная плотность модели, кг/м2.
При равенстве минимальной и расчетной плотностей А = 0, и получить качественную модель в таком случае не представляется возможным.
В зависимости от теплоносителя и его воздействия на процесс спекания гранул пенополистирола в пресс-форме различают следующие способы производства моделей: ванный, автоклавный, внешний тепловой удар, внутренний тепловой удар, ТВЧ и комбинированные.
Ванный способ изготовления моделей отличается простотой, не требует сложного оборудования, и поэтому он получил применение на ранней стадии получения моделей и освоения ЛГМ. При данном способе пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, погружается в водяную ванну при температуре 100 0C и выдерживается в ней определенное время, в течение которого происходит спекание модели. Для повышения температуры воды в ванне в нее добавляют водорастворимые соли. Многочисленные исследования ванного способа изготовления моделей показали, что получить модель удовлетворительного качества данным способом можно только при высокой активности гранул, т. е. с увеличенной объемной плотностью в пределах 30-40 кг/м3. Это объясняется особенностями тепломассопереноса в системе вода—пресс — форма—модель и пластическими свойствами полистирола. При ванном способе передача тепла от воды к пенополистиролу осуществляется через стенки пресс-формы за счет теплопроводности. При нагревании пресс-формы первоначально формируется поверхностный слой модели, который в силу низкой теплопроводности пенополистирола препятствует нагреву внутренних слоев модели, температура которых находится в пределах 75-85 0C, т. е. является близкой к стеклованию полистирола. Максимальная деформация полистирола в области пластического состояния находится в интервале температур 120-135 0C. При температуре 100 0C величина пластической деформации составляет 20-30 % от максимальной.
Зависимость деформации полистирола от температуры представлена на рис. 2.9.
Температура, 0C
Рис. 2.9. Деформация полистирола в зависимости от температуры
Время выдержки пресс-формы в кипящей воде при ванном способе изготовления моделей можно определить по формуле [6]
Где 8 — половина толщины стенки модели, мм; а — коэффициент температуропроводности, м2/ч.
При добавлении солей кальция температуру кипения воды можно поднять до 110 0C. Это дает возможность получать модели с качественной поверхностью объемной плотностью 20-25 кг/м^, однако при толщине стенки модели более 20 мм гранулы в средних слоях ее остаются слабо спеченными и образуют рыхлую структуру, что существенно снижает механические свойства модели. Существенным недостатком ванного способа изготовления моделей является их высокая влажность после извлечения из пресс — формы (до 20 %). Поэтому модели, получаемые данным способом, должны проходить длительную сушку.
При автоклавном способе изготовления модели пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в автоклав, в который подается острый пар при температуре 110-120 0C под давлением 0,13-0,145 МПа. Для получения качественных моделей необходимо обеспечить постоянную подачу 1,0 кг пара в минуту. На 1 кг модели расходуется от 4 до 40 кг пара в зависимости от толщины стенок модели. Пресс-форма выдерживается в автоклаве необходимое время для спекания модели, после чего пар стравливается из автоклава, и пресс-форма извлекается. Затем пресс-форма охлаждается в воде при температуре 15-20 0C, и модель извлекается. В автоклаве процесс теплообмена осуществляется как за счет проникновения перегретого пара внутрь пресс-формы через венты, установленные в ее стенках, так и за счет теплопроводности через стенки пресс-формы. Для качественного спекания модели необходимо, чтобы площадь отверстий вент составляла не менее 2 % от рабочей поверхности пресс-формы. Наличие конвективного и стационарного процессов теплопередачи к гранулам пенополистирола и высокой температуры теплоносителя в автоклаве обеспечивает получение моделей высокого качества при объемной массе 18-22 кг/м3. Продолжительность цикла изготовления модели в автоклаве определяется экспериментально для каждой партии полистирола в зависимости от толщины стенки модели, конструкции пресс-формы, температуры и давления пара. На рис. 2.10 представлена зависимость продолжительности спекания моделей от давления пара и толщины стенок модели в медицинском автоклаве при расходе пара менее 0,2 кг/мин. При увеличении расхода пара до 1 кг/мин время спекания моделей снижается более чем в 10 раз при значительном улучшении качества.
При толщине стенок модели менее 10 мм пресс-форма может не иметь перфорации. Процесс спекания модели в этом случае осуществляется за счет передачи тепла через стенки пресс-формы, т. е. теплопроводности. Воздух при заполнении пресс-формы гранулами выводится через ее разъем.
Время цикла изготовления модели автоклавным способом tu (с) определяется суммарным временем подготовительных и рабочих операций:
Tn = h + t2 + h + U + h + h +
Где tX-i — соответственно время сборки пресс-формы, заполнения пресс-формы гранулами, загрузки пресс-формы в автоклав, спекания модели в автоклаве, извлечения пресс-формы из автоклава, охлаждения пресс-формы, разборки пресс-формы и извлечения модели.
Наиболее продолжительными операциями изготовления моделей автоклавным способом являются операции спекания модели и охлаждения пресс-формы. Если время спекания модели в автоклаве определяется экспериментально, то время охлаждения пресс-формы т (мин) можно определить по формуле [6]
Рис. 2.10. Оптимальные режимы изготовления моделей автоклавным способом из ПСВ-Л фракции 1-1,6 мм в зависимости от толщины стенки: / — 10 мм; 2 — 20 мм; 3 — 40 мм ; 4 — 80 мм
T, мин
Автоклавный способ формирования модели позволяет использовать пресс-формы с необходимым количеством разъемов и отъемных частей для получения сложных по конфигурации моделей в одной пресс-форме. Он позволяет получать качественные модели с толщиной стенок до 40 мм и более при объемной плотности 18- 25 кг/м3. Однако все вспомогательные операции при данном способе выполняются вручную, поэтому данная технология изготовления моделей применяется в мелкосерийном и серийном производствах отливок ЛГМ.
Где 8 — приведенная толщина стенки модели, мм.
Способ внутреннего теплового удара заключается в подаче перегретого пара под давлением 0,2-0,25 МПа через инжектор во внутреннюю полость пресс-формы, предварительно заполненную гранулами пенополистирола (рис. 2.11). Формирование модели происходит в результате фильтрации перегретого пара через поры между гранулами в пресс-форме, при которой пар, расширяясь, передает свое тепло гранулам, частично конденсируясь на их поверхности. Расширение гранул происходит наиболее интенсивно в районе инжектора и постепенно затухает у стенок пресс-формы, в результате образующийся конденсат оттесняется вспененными гранулами к периферии и удаляется через отверстия (венты) в стенках пресс-формы.
Мм
Рис. 2.11. Изготовление моделей внутренним тепловым ударом: / — нижняя часть пресс-формы; 2 — верхняя часть пресс-формы; 3 — инжектор
Такой процесс вспенивания приводит к неоднородности объемной плотности по сечению модели, что иллюстрируется на рис. 2.11. Процесс внутреннего теплового удара саморегулируемый. По мере расширения и спекания гранул пенополистирола прекращаются процессы как выхода пара через отверстия в стенках пресс-формы, так и процессы поступления, что говорит об окончании процесса спекания модели. Важной операцией технологического процесса изготовления моделей тепловым ударом является охлаждение пресс-формы по окончании изготовления модели. Преждевременное извлечение модели из пресс-формы может привести к ее разрушению за счет внутренних напряжений, которые образуются в процесс расширения гранул полистирола при нагревании. Время охлаждения пресс-формы в воде при температуре 15-20 0C можно определить по формуле
R2
«м
Где R — приведенная толщина стенки модели, мм; ам — температуропроводность пенополистирола, м2/ч.
Инжектор представляет собой трубку диаметром 10-20 мм, в стенках которой имеются отверстия диаметром 1-2 мм, суммарная площадь которых равна площади сечения инжектора. Стенки пресс-формы перфорированы за счет установки вент или сверления отверстий диаметром 0,5-1,5 мм с шагом 20-25 мм, причем суммарная площадь сечений входных отверстий должна соответствовать площади выходных отверстий. Расположение отверстий в стенках пресс-формы должно обеспечить равномерное распределение пара по всему объему пресс-формы. Зона действия пара от инжектора описывается радиусом около 100 мм. Процесс изготовления моделей внутренним тепловым ударом скоротечен, он просто механизируется и автоматизируется, поэтому его успешно можно применять как при мелкосерийном, так и при серийном производстве для получения моделей с толщиной стенок более 40 мм. Данный способ стал основным при изготовлении шаровых прибылей (рис. 2.12) для питания отливок из стали, высокопрочного чугуна.
Рис. 2.12,. Модели шаровых прибылей
Внешним тепловым ударом: 1 — подача пара, воды, воздуха; 2 — отверстие для заполнения пресс-формы гранулами пенополистирола; 3 — камера; 4 — выход пара, воды и воздуха; 5 — венты; б — водяные форсунки; 7 — модель из пенополистирола
При внешнем тепловом ударе пресс-форма окружена рубашкой, которая образует камеру (рис. 2.13), куда подается острый пар при скорости 1 кг/мин под давлением 0,2-0,35 МПа при температуре 110-1120 0C.
Из паровой камеры пар поступает через венты в пресс-форму, которая предварительно заполняется гранулами вспененного полистирола. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло гранулам пенополистирола, в результате чего происходят его расширение и формирование модели. Существует несколько вариантов применения данного способа для изготовления моделей, один из которых представлен на рис. 2,14 [17].
Рис. 2.14. Последовательность технологических операций при
Изготовлении моделей внешним тепловым ударом: 1 — подача пара; 2 — выход отработанного пара; 3 — подача воздуха в задувное устройство; 4 — подача гранул в задувное устройство; 5 — подача воды; б — выход воды; 7 — подача воздуха; 8 — толкатель; 9 — вторая камера; 10 — первая камера
Перед заполнением пресс-формы гранулами она предварительно прогревается паром до 100 0C (рис. 2.14, а). После прогрева пресс-форма выдерживается для выхода конденсата и высыхания. Затем пресс-форма смыкается, и происходит заполнение ее гранулами через задувные устройства, количество которых зависит от размеров модели. Потом сначала в одну полость пресс-формы, а затем в другую подается пар под давлением ОД МПа (рис. 2.14, б) в течение 10 с, и происходит предварительное спекание модели. Затем пар подается в обе камеры пресс-формы, наступает автоклавный режим ее работы, который продолжается не более IOc при давлении пара 0,35 МПа, и происходит окончательное спекание модели (рис. 2.14, в). В этот период стенки пресс-формы прогреваются до 110-120 0C. После автоклавного цикла и снятия давления пара стенки пресс-формы интенсивно охлаждаются водяным обрызгиванием до температуры 40-50 0C (рис. 2.14, г). Затем пресс-форма продувается воздухом для удаления воды (рис. 2.14, с)), она раскрывается (рис. 2.14, е), и модель под действием давления воздуха извлекается из пресс-формы. Продолжительность операций и их последовательность контролируются по давлению пара и температуре в различных частях пресс-формы. Время цикла изготовления модели на специализированном оборудовании не превышает 90-120 с. Для получения качественных моделей внешним тепловым ударом необходимо применять сухой пар, в противном случае модель будет содержать повышенный процент влаги, что увеличивает время ее последующей сушки и усадки.
Технологический процесс изготовления моделей внешним тепловым ударом обеспечивает их высокое качество при объемной плотности от 16 кг/м3 . На основе данного способа создано высокопроизводительное автоматическое оборудование, вследствие чего стало возможным использовать технологию ЛГМ в крупносерийном и массовом производстве отливок из черных и цветных сплавов взамен традиционных методов литья.
При изготовлении моделей в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ) пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в поле высокочастотного конденсата, степень нагрева гранул в котором зависит от диэлектрической проницаемости материала. Энергия переменного электрического поля вследствие диэлектрических потерь превращается в тепловую. Пенопо — листирол имеет низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь tg8, который равен 0,0001, поэтому нагрева сухих гранул в поле высокой частоты практически не происходит. Для повышения величины диэлектрических потерь производится предварительная обработка гранул электролитом, в качестве которого используется вода с добавлением 4-8 г/л поверхностно-активного вещества для равномерного распределения влаги по поверхности гранул. Тонкий слой воды или водного раствора под воздействием ТВЧ нагревается и передает свое тепло гранулам, в результате происходят их расширение и спекание по всему объему пресс — формы, что позволяет получить модели с равномерной плотностью. В отличие от других способов, при формировании моделей в электрическом поле высокой частоты образуется незначительное количество конденсата, и модели получаются практически сухими. Для получения качественных моделей необходимо пресс-форму изготавливать из материалов с низким значением тангенса диэлектрических потерь и коэффициентом теплопроводности. При высокочастотном нагреве напряженность поля на отдельных участках сложной по конфигурации модели будет неодинаковой, что приводит к получению моделей с различной объемной плотностью. Для получения моделей с однородной и плотной структурой необходимо выравнивать напряженность магнитного поля, регулируя зазор между пластинами высокочастотного конденсатора и стенками пресс-формы, или применять конденсаторы с фигурными пластинами. Для высокочастотного нагрева могут использоваться установки с мощностью лампового генератора от 5 до 40 кВт и частотой от 5 до 30 МГц при напряженности поля от 500 до 1000 В/см. Продолжительность цикла формирования модели в поле ТВЧ составляет 10-60 с и зависит от размера модели, материала пресс-формы и подготовки гранул пенополистирола [6]. Несмотря на простоту процесса изготовления моделей ТВЧ, он не нашел должного применения, т. к. для получения моделей сложной конфигурации весьма трудно создать равномерно напряженное электрическое поле. Кроме этого, данный способ изготовления моделей является энергоемким.
2.3.3. Сборка моделей
ЛГМ в серийном и массовом производствах применяется для получения отливок III-V классов сложности, которые характеризуются наличием плоских криволинейных наружных поверхностей, бабышек, фланцев с отверстиями, углублениями сложной конфигурации, внутренними полостями закрытого или полузакрытого типа с криволинейными поверхностями. Традиционными методами литья такие сложные отливки получают с применением одного или нескольких стержней. Получить цельную модель из пенополистирола для производства таких отливок на модельных автоматах, имеющих, как правило, один разъем, не представляется возможным. Поэтому сложные модели изготавливают из нескольких частей в пресс-формах с одним разъемом, а затем из них собирают цельную модель при помощи клея или сварки в кондукторе. В массовом производстве, когда это экономически целесообразно, применяются специальные модельные автоматы, обеспечивающие разъем модели в двух и более плоскостях.
Наиболее распространенный способ сборки моделей состоит из соединения ее частей при помощи клея, к которому предъявляются следующие требования: клей не должен растворять пенополисти — рол, при нанесении тонкого слоя на разъем модели он должен обеспечивать прочное соединение, сравнительно быстро затвердевать и не оставлять коксового остатка после термодеструкции пенополистирола. Клеи для пенополистироловых моделей применяются двух видов: жидкие при нормальной температуре и твердые, которые предварительно расплавляются при температурах 110- 140 0C и быстро затвердевают при охлаждении. Термоплавкие клеи — это твердые термопластики, расплавляемые при применении и твердеющие при охлаждении. Типичные термоплавкие клеи изготавливаются на основе полимеров, они содержат крепители, модификаторы и стабилизаторы. В качестве полимерной основы обычно применяют полипропилен, полиэтилен, синтетический каучук и этиленвинилацетат. Они обеспечивают прочность и жесткость склеивания. Крепителями являются низкомолекулярные смолы, добавляемые для улучшения адгезионных свойств клея. В качестве модификаторов используются воск и масла, которые регулируют вязкость и теплостойкость клея. Неорганические наполнители в этих клеях не используются. Для сохранения свойств клея применяются стабилизаторы и антиоксиданты В качестве твердого расплавляемого клея можно рекомендовать клей марки ГИПК 25-28.
Жидкие быстросохнущие клеи применяются чаще всего при ручной сборке моделей, расплавленные клеи — при машинной, а также и при ручной для соединения частей модели с небольшой плоскостью разъема.
Для ручной сборки моделей рекомендуется применять клеи, растворителем в которых является бензин или спирт, например БФ-2, ВИАМ-3, № 61 и др. Технология соединения частей моделей при помощи клея включает следующие операции: подготовку поверхностей соединяемых частей моделей; нанесение тонкого слоя клея на подготовленные поверхности; выдержку на воздухе смазанной поверхности для удаления растворителя; соединение частей модели при незначительном их сжатии. Следует учитывать при работе с клеем влажность и температуру воздуха в помещении, которые должны соответствовать нормальным условиям.
При машинной сборке модели устанавливаются в кондуктор, затем на соединительную поверхность, валиком или копиром наносится расплавленный клей, и половинки моделей быстро соединяются при некотором внешнем давлении. После кратковременной выдержки готовая мЬдель извлекается из кондуктора. Все более широкое применение находит технология сборки моделей с помощью сварки, при которой используется способность самого полистирола в расплавленном состоянии обладать хорошей клеящей способностью и образовывать прочное соединение. Существуют два способа соединения моделей из пенополистирола при помощи сварки: контактный и бесконтактный нагрев соединяемых поверхностей.
При контактной сварке места соединения двух частей модели оплавляют разогретой проволокой или ножом и соединяют при небольшом давлении. После выдержки в течение 1-2 с соединение приобретает прочность, сравнимую с прочностью самой модели. Такой способ сварки применяется при соединении поверхностей небольшой протяженности, например при соединении модели с литниковой системой.
При бесконтактной сварке соединяемые части модели укладываются в верхний и нижний кондукторы, между которыми вводится медный контур, воспроизводящий форму соединяемых поверхностей модели и разогретый до температуры 300-350 0C. После оплавления стыка моделей за счет теплоизлучения контур быстро удаляется из разъема, и модели соединяются между собой под небольшим давлением. Модель выдерживается в течение 1-3 с, затем извлекается из кондуктора. Данный способ требует изготовления специальной дорогостоящей оснастки и поэтому применяется только при массовом производстве сложных отливок, например воздушно охлаждаемого тормозного диска автомобиля.
При соединении частей моделей по замкнутому контуру применяется сборка без клея, основанная на использовании упругих свойств пенополистирола. При этом способе размеры сопрягаемых частей модели назначаются с небольшим допуском для получения соединения с натягом. Достаточная прочность соединения частей
Рис. 2.16. Модель воздушно- охлаждаемого тормозного диска автомобиля
Рис. 2.15. Модель статора электродвигателя
Модели достигается при допуске 1,5-1,0 мм на размер 100 мм соединительного элемента, при этом соединяемые поверхности выполняются с уклоном 1-1,5°. На рис. 2.15 показана модель статора электродвигателя, собранная в кондукторе из четырех элементов при помощи расплавленного клея.
На рис. 2.16 — модель воздушно-охлаждаемого тормозного диска легкового автомобиля, полученная сваркой из двух половин, а на рис. 2.17 представлены модели корпуса вентиля, которые изготовлены на модельном автомате в пресс-форме с тремя плоскостями разъема. Внутренний платик в корпусе выполнен отдельно и соединен с моделью корпуса при помощи прессовой посадки.
Рис. 2.17. Модель корпуса вентиля Ду-150
Качество модели определяется шероховатостью ее поверхности, размерной точностью, равномерностью структуры пенополистирола, ее объемной плотностью и механической прочностью. Шероховатость поверхности модели зависит от качества рабочей поверхности пресс-формы, активности вспененных гранул полистирола и термовременных параметров формирования модели в пресс-форме. При нормальной активности гранул, но при недостаточной температуре теплоносителя поверхность модели формируется с четко выраженной гранулометрической структурой с наличием углублений по границам гранул. При применении гранул с низкой активностью и при нормальном тепловом режиме спекания модели в пресс-форме получаются аналогичные результаты, т. е. поверхность модели имеет грубую шероховатость. Обработка гранул в пресс-форме при повышенной температуре теплоносителя приводит к усадке гранул, при этом структура поверхностного слоя модели характеризуется выступами по границам гранул. При всех этих режимах спекания модели ее поверхность характеризуется высокой шероховатостью, и она не пригодна для получения качественных отливок. Качество поверхности модели при прочих равных условиях зависит от шероховатости рабочей поверхности пресс-формы. В табл. 2.12 представлены результаты исследования шероховатости поверхности модели из пенополистирола объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества поверхности пресс-формы [6].
Таблица 2.12
Шероховатость модели объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества рабочей поверхности пресс-формы
Класс шероховатости пресс-формы |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Класс шероховатости модели |
3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
6 |
По другим данным [18], модель из пенополистирола марки ПСВ-Л объемной плотностью 20 кг/м3, полученная автоклавным процессом при температуре пара 110-115 0C и времени спекания 10-15 мин, имела шероховатость поверхности, зависимость которой от качества пресс-формы выглядит несколько иначе, чем следует из табл. 2.12. Однако тенденция снижения шероховатости модели с улучшением качества рабочей поверхности пресс-формы сохраняется (табл. 2.13).
Таблица 2.13
Шероховатость модели объемной плотностью 20 кг/м3
В зависимости от качества рабочей I Класс шероховатости пресс-формы |
Говер 3 |
ХИОС’ 4 |
Ги пр 5 |
Есс-< 6 |
>орм1 7 |
8 |
Класс шероховатости модели |
2 |
3 |
3 |
4 |
4 |
5 |
Из данных табл. 2.12 и 2.13 следует, что шероховатость поверхности модели ухудшается с понижением объемной плотности пенополистирола и улучшается с повышением класса чистовой обработки рабочей поверхности пресс-формы.
Точность модели определяется разностью размеров рабочей полости пресс-формы и соответствующих размеров модели с учетом ее фактической усадки. Усадка моделей из пенополистирола нестабильна, она зависит как от свойств исходного полистирола, так и от термовременных параметров его дальнейшей переработки. Исследования показали, что усадка пенополистирола при двухста — дийной переработке его в модели протекает в четыре стадии (рис. 2.18) [16]. Первая стадия усадки модели протекает непосредственно в пресс-форме после ее тепловой обработки до извлечения из пресс-формы. Полистирол как основа гранул при нагревании расширяется в объеме, переходит в пластическое состояние и продолжает расширяться, но уже под действием давления паров порообразователя. При охлаждении пресс-формы величина усадки модели будет определяться суммарным воздействием сжимающих усилий уменьшающегося в размерах каркаса гранул из пенополистирола и остаточного давления паров порообразователя в замкну-
Рис. 2.18. Зависимость усадки модели из пенополистирола от времени
С увеличением плотности модели, что равносильно увеличению содержания полистирола, усадка растет, однако при увеличении порообразователя в гранулах пенополистирола она уменьшается или, другими словами, расширяющее действие порообразователя в данном случае тормозит объемную усадку полистирола.
По данным [17, 19], после извлечения модели усадка ее составляет 0,32 %, что совпадает с результатами, представленными на рис. 2.18.
Вторая стадия усадки получает развитие после извлечения модели из пресс-формы и продолжается в течение нескольких часов. Она характеризуется ростом объема модели и снижает величину ее усадки, имевшей место на первой стадии, протекающей в пресс-форме. Увеличение размеров модели связано с недостаточным охлаждением пресс-формы. После извлечения модели из пресс-формы в ее внутренних слоях сохраняется высокое давление порообразователя, под действием которого и происходят увеличение объема модели и снижение величины ее усадки. В [20] показано, что при охлаждении модели в пресс-форме до температур ниже температуры кипения порообразователя увеличение размеров модели после ее извлечения из пресс-формы не происходит.
Третья стадия усадки начинается после предусадочного расширения модели (если оно имело место) и протекает в течение 3- 7 суток. Эта стадия характеризуется наиболее интенсивным ростом усадки и, по многочисленным исследованиям, составляет 75- 80 % общей усадки моделей (см. рис. 2.18). На этой стадии идет испарение остаточной влаги из внутренних слоев модели и утечка порообразователя, что и приводит к снижению внутрипорового давления в гранулах и остаточных напряжений в твердой основе гранул — полистироле.
Четвертая стадия усадки (рис. 2.18) происходит в течение последующих 10-12 дней, когда размеры модели полностью стабилизируются. По данным [19], величина усадки на этой стадии составляет 20-25 % от общей усадки. На этой стадии происходит дальнейшее снижение давления внутри гранул за счет уменьшения порообразователя в результате его диффузии из гранул и внутримолекулярная стабилизация полистирола. Исследования американских ученых показали, что усадка моделей зависит от плотности моделей и размера гранул (рис. 2.19).
16,0 19,2 22,4 25,6 28,8 32,0 35,2
Плотность модели, кг/м3
• — 0,2-0,5 мм А — 0,58-1,2 мм
¦ — 0,35-0,7 мм Старение 28 дней
Рис. 2.19. Усадка моделей в зависимости от размера гранул и плотности модели
7 дней
14 дней 21день 49 дней
0 60 120 180 240 300 360 420 480 1176
Время хранения моделей после изготовления, ч
72 ч
>4ч
Выдержка гранул 48 ч
Рис. 2.20. Влияние срока хранения модели на ее усадку
Срок хранения вспененных гранул до спекания моделей также влияет на усадку (рис. 2.20).
S
(X о
5
3
6
JS
S <и
Измеряемый размер 16,4 мм
16,38 -
16,32 -
16,26 -
16,19
16,13
- 0,54
16,45 г
Ot (X
Таким образом, величина усадки модели зависит как от первичных свойств исходного полистирола, так и от режимов его термовременной обработки при изготовлении моделей (рис. 2.21) и поэтому должна определяться для каждой новой партии полистирола. По данным различных исследователей, общая усадка моделей из пенополистирола изменяется в зависимости от вышеизложенных причин в пределах 0,7-0,8 % [5, 6, 17, 19, 20].
Структурная неоднородность моделей из пенополистирола оказывает существенное влияние на их механические свойства и газовый режим при заливке формы металлом. В зонах повышенной плотности модели следует ожидать появления местных специфических дефектов на поверхности отливок из чугуна и стали.
Х, пв
Рис. 2.21. Зависимость усадки модели от режимов тепловой обработки тпв и свойств пенополистирола:
А) Ti = 1,72, П = 5,12%;
Б)ц = 1,91, П = 6,75%;
В) л = 1,82, П = 6,29 %; (т| — вязкость полистирола; П — содержание пентана в пенополистироле;
Тов — время окончательного вспенивания)
? 0,5 ? 0,4
6,0 ’5,5 |
|
Sf |
|
Xob = 7,0 S4s Illl |
R^Ni Т‘ Vb |
0,5 1,0 1,5 2,0 |
2,54^3,5 |
X, пв |
||
0,5 |
I I |
2,5 3,0 3,5 |
^ = 5,0 |
||
5,5; |
6,0 |
|
7,0 ‘ |
Наличие посторонних примесей может привести к концентрации неметаллических включений в отливках и снизить их механические свойства. Для получения однородной структуры в моделях из пенополистирола следует использовать для их изготовления гранулы одного размера, а при получении ответственных отливок применять рассеивание гранул после их предварительного вспенивания через сито с размером ячеек в 1,5 раза больше размера гранул. Диаметр вспененных гранул необходимо определять, исходя из минимальной толщины стенки модели, для чего можно воспользоваться зависимостью размера гранул от толщины стенки модели, представленной на рис. 2.22 [12].
Ориентировочно, размер исходных вспененных гранул должен быть не более 1/3-1/4 толщины стенки модели. Пресс-форма должна иметь хорошую перфорацию, что достигается установкой вент или сверлением отверстий диаметром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см, при этом необходимо обеспечить нормальное заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола при их подаче воздушным потоком.
D, Мм
0 20 40 60
Мм
Рис. 2.22. Зависимость размера гранул пенополистирола от толщины стенки модели
Качество моделей обеспечивается строгим соблюдением всего технологического процесса их производства, который должен постоянно контролироваться. Каждую вновь поступающую партию полистирола для вспенивания необходимо проверять на соответствие ТУ. Все термовременные параметры технологического процесса вспенивания гранул и изготовления моделей должны контролироваться, а результаты контроля фиксироваться в специальном журнале. Готовые модели, в зависимости от контролируемого параметра, должны подвергаться выборочному или подетальному контролю. Модель после извлечения из пресс-формы подвергается контролю, при котором визуально определяется наличие явных дефектов, таких как оплавление гранул, вмятины, задиры, трещины и др. Выборочному контролю подлежат объемная плотность модели, однородность структуры пенополистирола, наличие посторонних примесей, шероховатость поверхности, размерная точность, остаточная влажность и усадка. Объемная плотность модели определяется выборочно взвешиванием на аналитических весах. Для определения плотности модели можно использовать зависимость между твердостью поверхности модели и ее плотностью, которая представлена в табл. 2.14.
Таблица 2.14
Зависимость твердости поверхности модели от ее объемной плотности
Объемная плотность модели, кг/м3 |
20-25 |
26-30 |
31-35 |
36-40 |
Твердость по твердомеру модели 071 |
62-72 |
72-78 |
76-80 |
78-85 |
Структурная неоднородность моделей проверяется на просвет на специальном устройстве, которое состоит из короба со стеклянной крышкой и электролампы в качестве источника света. Остальные свойства модели из пенополистирола определяются по стандартным методикам (см. подразд. 2.2.2) [5, 6].
В табл. 2.15 представлена классификация дефектов, которые могут образовываться при изготовлении модели, указаны причины их образования и даны рекомендации по их устранению.
Таблица 2.15
Дефекты моделей, причины их образования и способы устранения
Вид дефекта |
Причина образования |
Способ устранения |
Недооформ |
Полость пресс-формы за |
Установить дополни |
Ление отдель |
Полнена частично, образо |
Тельные венты |
Ных частей |
Вание воздушных пробок |
|
Модели |
Увеличенный размер гра |
Уменьшить размер |
Нул |
Гранул |
|
Низкое давление воздуха |
Повысить давление |
|
В задувном устройстве |
Воздуха при заполнении пресс-формы |
|
Высокая влажность гранул |
Просушить гранулы |
|
Большой статический заряд |
Обработать гранулы |
|
Электричества |
Антистатиком |
Окончание табл. 2.15
Вид дефекта |
Причина образования |
Способ устранения |
Недооформление отдельных частей модели |
Повышенное содержание остаточного стирола Низкая активность гранул |
Проверить содержание остаточного стирола Проверить активность гранул, при низкой активности заменить пенополистирол |
Грубая поверхность модели, явно выраженная ячеистая структура поверхности |
Низкая активность гранул Перевспененные исходные гранулы Недостаточно плотное заполнение пресс-формы гранулами |
Повысить активность гранул Увеличить время или температуру при формировании модели Увеличить давление воздуха, установить дополнительные венты |
Оплавление поверхности модели, усадка гранул |
Высокая температура теплоносителя Завышено время тепловой обработки Резкое охлаждение пресс — формы в холодной воде |
Снизить температуру теплоносителя Уменьшить время тепловой обработки Повысить температуру воды до 15-20 0C |
Коробление модели, трещины |
Недостаточное время охлаждения пресс-формы Высокая активность гранул |
Увеличить время охлаждения пресс — формы Снизить активность гранул или заменить их |
Завышена объемная плотность моделей |
Завышена насыпная плотность вспененных гранул Высокое давление воздуха в задувном устройстве Очень мелкие исходные гранулы |
Увеличить время или температуру вспенивания гранул, увеличить их активность Снизить давление воздуха в задувном устройстве Увеличить размер исходных гранул для вспенивания |
Для изготовления пресс-форм применяются различные конструкционные материалы, которые имеют хорошую теплопроводность, высокую коррозионную стойкость в атмосфере пара и в воде, достаточную механическую прочность и хорошо обрабатываются режущим инструментом. При изготовлении моделей ванным способом, тепловым ударом и в автоклаве пресс-формы изготавливаются, как правило, из алюминиевых сплавов. Заготовками для деталей пресс-форм могут быть как прокат, так и отливки. Чтобы получить качественные модели, желательно применять для изготовления рабочих частей пресс-формы прокат из алюминиевых сплавов марок АМг5, АМг2, АМгб, Д16, 18К6 и др., которые имеют достаточную прочность, высокую плотность и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Крепежная часть пресс-формы и запирающие устройства выполняются из нержавеющей стали марки 30Х12Н9Т, соединительные втулки изготавливаются из бронзы или из нержавеющей стали, венты — из алюминиевых сплавов, идентичных основным частям пресс-формы.
Итальянская фирма «Fiat Teksid» накопила значительный опыт изготовления пресс-форм из пористых пластмасс, рабочая поверхность которых покрывается медью или никелем способом гальванопластики. При этом отпадает необходимость в установке вент и значительно сокращается цикл изготовления пресс-формы [17].
При применении метода ТВЧ пресс-формы изготавливаются из материалов-диэлектриков с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но с теплостойкостью выше температуры вспенивания полистирола. В качестве таких материалов применяются пластики на основе полипропилена, эпоксидных и полиэфирных смол [11].
Пресс-формы для производства моделей ванным или автоклавным способами по своей конструкции подобны металлическим стержневым ящикам, которые применяются при пескодувном процессе, однако они должны иметь равноутолщенные стенки для обеспечения одинакового теплового потока от теплоносителя к гранулам пенополистирола. Элементы модельной оснастки, выполняющие углубления, отверстия и другие поднутрения, должны, по возможности, выполняться полыми с толщиной стенок на 30-50 % меньше, чем наружные стенки пресс-формы. Для простых по конфигурации моделей толщина стенок основных частей пресс — формы зависит от толщины стенок модели: при толщине стенок модели до 6; 6-20 и 20-40 мм толщина стенок пресс-формы составляет соответственно 5-6; 6—8 и 8-12 мм.
Уклоны в пресс-форме при высоте модели до 20 мм не выполняются, при большей высоте стенок они делаются в пределах 0,5°. Венты устанавливаются в стенках пресс-формы с прорезями шириной 0,1-0,3 мм, направление которых должно совпадать с извлечением модели из пресс-формы. При установке вент шаг между ними равен удвоенному диаметру венты. Вместо вент можно использовать перфорацию стенок пресс-формы отверстиями диаметром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см по всей рабочей поверхности пресс-формы. Общая площадь отверстий в вентах должна быть не менее 2 % от рабочей площади пресс-формы. Диаметр задувного отверстия в пресс-форме зависит от размера вспененных гранул и выполняется диаметром от 6 до 12 мм, но не больше толщины стенки модели. Сверху задувного отверстия делается внутренняя фаска глубиной 5 мм под углом 45° для обеспечения плотного прилегания задувного устройства. Диаметры сборочных штырей, втулок, крепежа, стопорного устройства задувного отверстия должны быть нормализованы. Для определения конструкции крепежных элементов модельной оснастки можно использовать PTM 10-60 «Пресс- формы для литья по выплавляемым моделям» или MH 4300-82— MH 4342-62. Шероховатость рабочей поверхности пресс-формы должна быть в пределах 9-11-го классов по ГОСТ 2789-73. Размерная точность рабочей полости пресс-формы должна быть не ниже 4—5-го классов по ГОСТ 26645-85. Рабочие размеры полости пресс — формы назначаются с учетом усадки металла отливки и материала модели. Усадку модели следует учитывать при изготовлении отливок повышенной точности. Усадка отливок из серого чугуна зависит от материала литейной формы и для формы из сухого песка составляет 1,0-1,2%, из металлической дроби— 1,25-1,4%. Для отливок из углеродистой стали при литье в формы из песка линейная усадка металла 2,0-2,3 %.
Стенки пресс-формы необходимо проверять на прочность. Конструкция пресс-формы должна быть жесткой, т. к. при задуве гранул в пресс-форму давление достигает 0,3-0,4 МПа. Кроме того, при спекании модели стенки пресс-формы испытывают давление со стороны пенополистирола.
Давление в пресс-форме P (кгс/см2) определяется по формуле
Где Pa — давление насыщенного пара при конечной температуре формирования модели; Pb — давление воздуха при конечной температуре спекания модели; V — объем газов в модели, равный процентному содержанию пустот в ней; Рд — давление оставшегося в гранулах порообразователя; E — поправочный коэффициент, зависящий от объемной плотности модели (для модели плотностью 16 кг/м3 E = 1,01, плотностью 32 кг/м3 E = 1,03). Давление Pa зависит от температуры теплоносителя и изменяется для температур 100-130 0C от 1,03 до 2,75 кгс/см2. Давление Pb при тех же условиях изменяется от 1,28 до 1,39 кгс/см2. Объем пор V зависит от плотности модели. Давление Pa изменяется в зависимости от температуры и процента оставшегося порообразователя в пределах от 0,069 до 0,376 кгс/см2 [11]. Суммарное давление в полости пресс-формы при температурах теплоносителя от 100 до 120 0C составляет 0,84-1,48 кгс/см , но при этом необходимо учитывать кратковременное давление воздуха при заполнении пресс-формы гранулами пенополистирола. Расчетное давление в пресс-форме при ее конструировании принимается 4 МПа. Для повышения прочности пресс-формы в случае необходимости следует применять оребрение стенок, при этом толщина их должна быть вдвое меньше толщины стенок пресс-формы. Конструкция пресс-формы для получения моделей внутренним тепловым ударом отличается от пресс-форм автоклавного процесса обязательным наличием вент в ее стенках.
Пресс-формы для внешнего теплового удара применяются для машинного изготовления моделей, поэтому в отличие от других типов пресс-форм они имеют закрытую камеру коробчатой формы, к которой герметично присоединяется модельная плита. В камеру по заданному режиму подаются последовательно пар, вода и воздух (см. рис. 2.14).
По своей конструкции паровая камера бывает коробчатой (рис. 2.20, а) и контурной формы (рис. 2.23, б). Более сложная конструкция пресс-формы с трубчатыми каналами в ее стенках, по которым подается пар в полость пресс-формы при изготовлении модели, представлена на рис. 2.23, в.
Рис. 2.23. Разновидности конструкций пресс-форм для машинного изготовления моделей внешним тепловым ударом:
А) коробчатая;
Б) контурная;
Разъема^
Разъема
Разъема
В) с трубчатыми каналами в стенках: 1 — загрузка гранул; 2 — отверстие для ввода пара, воды и воздуха; 3 — отверстие для вывода отработанного пара, воды и воздуха; 4 — венты; 5 — водяные форсунки; 6 — плита машины; 7 — камера
При машинном изготовлении моделей паровая камера является принадлежностью машины, а модельная плита крепится к камере болтовым соединением и является съемной. На модельной плите располагаются одна или несколько вставок, формирующих модель или ее отдельные части. Модельная плита делается из нержавеющей стали с гнездами под модельные вставки, которые изготавливаются из термостойкой пластмассы с гальваническим покрытием медью или никелем или из алюминиевых сплавов. Важным элементом пресс-формы является перфорация модельной вставки, которая должна обеспечить направленный поток воздуха при заполнении полости пресс-формы гранулами и нормальную подачу пара при изготовлении модели. При использовании вакуума для улучшения процесса заполнения полости пресс-формы гранулами и обработки их паром модельные плиты смыкаются плотно, герметизируя полость пресс-формы. При отсутствии вакуума для
Улучшения заполнения полости гранулами между плитами при их запирании сохраняется небольшой зазор (0,25 мм), который после заполнения полости гранулами ликвидируется за счет плотного смыкания модельных плит. Конструктивные элементы модельных вставок выполняются в соответствии с требованиями, которые предъявляются к модельной оснастке для автоклавного способа.
2.4. Изготовление моделей из пенополистирола в единичном производстве отливок
В единичном производстве отливок модели изготавливаются из пенополистироловых плит механической обработкой на деревообрабатывающих станках или на специальных установках горячим инструментом, в качестве которого используется нагретая проволока. Заготовка для модели вырезается из пенополистиро — ловой плиты на станках ленточными пилами с шириной полотна 12-35 мм и с профилем зубьев в виде прямоугольника с углом заострения 60-65° или дисковыми пилами, имеющими зубья в виде равнобедренного или равностороннего треугольника с углом заострения 50-60°. Развал зубьев на сторону составляет 0,1-0,15 мм. Рекомендуемые режимы резания плит представлены в табл. 2.16.
Таблица 2.16
Режимы резания заготовок из плит пенополистирола
Наименование станка |
Скорость резания, м/с |
Подача, м/мин |
Ленточнопильный |
20-30 |
1,0-1,5 |
Круглопильный |
30-80 |
3,0-4,0 |
Таблица 2.17
Инструмент и режимы обработки на фуговочных и рейсмусных станках
Наименование инструмента |
Скорость резания, м/с |
Подача, м/мин |
Глубина резания, MM |
Шероховатость поверхности, Ra, мкм |
Строгальные ножи с углом заострения 36-45° с прямоугольной кромкой резания |
25-35 |
1,7-2,2 |
2,0 |
60-80 |
Окончание табл. 2.17
Наименование |
Скорость |
Подача, |
Глубина |
Шероховатость |
Инструмента |
Резания, М/с |
М/мин |
Резания, MM |
Поверхности, |
I? a, мкм |
||||
Вал с наклеенным |
10-15 |
1,0-1,5 |
До ю |
10-20 |
Наждачным полотном |
||||
Зернистостью 40-80 ед. |
||||
Вал с набором |
6,0-20 |
1,5-2,0 |
До 10 |
10-40 |
Абразивных кругов |
||||
С зернистостью |
||||
40-80 ед. |
||||
Вал с насечками |
15-20 |
1,5-2,0 |
До 15 |
20-80 |
(профиль зуба напиль |
||||
Ника Д-400, |
||||
№ 1 по ГОСТ 1465-69, |
||||
Высота зуба |
||||
0,5-1,0 мм) |
Плоская поверхность заготовок обрабатывается на фуговочных, рейсмусных станках, режимы резания и применяемый инструмент для которых приведены в табл. 2.17.
На фрезерных станках заготовки из пенополистирола обрабатываются фрезами с углом заострения кромки зуба 25-30° или абразивными кругами, марка и размеры которых представлены в табл. 2.18. Режимы резания на фрезерных станках заготовок из пенополистирола приведены в табл. 2.19.
Таблица 2.18
Марка и размеры абразивных кругов
Марка круга |
Размеры круга, мм |
||
Наружный диаметр |
Внутренний диаметр |
Ширина |
|
Э9А40С1К7 |
60 |
20 |
50 |
Э9А50СМ16КБ |
70 |
20 |
40 |
Э9А40С11Б |
40 |
13 |
40 |
Таблица 2.19
Режимы фрезерования заготовок из пенополистирола
Наименование инструмента |
Режимы резания |
Шероховатость поверхности, Z? a, мкм |
||
Скорость резания, м/мин |
Подача, м/мин |
Глубина резания, MM |
||
Пластинчатая фреза |
360-1200 |
0,5-1,0 |
- |
10-80 |
Шлифовальные |
360-900 |
0,5-0,8 |
До 10-20 |
10-80 |
Круги диаметром |
||||
40-70 мм |
||||
Оправка диаметром |
300-700 |
0,5-0,8 |
До 10-20 |
10^0 |
50 мм с наклеен |
||||
Ным наждачным |
||||
Полотном с зерни |
||||
Стостью 40-80 ед. |
||||
(ГОСТ 36 47-71) |
||||
Фрезы с насечкой |
300 |
0,5-1,0 |
- |
10^0 |
Диаметром 16 мм |
Для обработки тел вращения из пенопласта применяются токарные и токарно-лобовые станки. Для черновой обработки можно применять обычные токарные резцы по дереву, для чистовой — деревянные резцы, обклеенные наждачной шкуркой на тканевой основе с зернистостью 40-80 ед., при следующих режимах резания: скорость — 15-30 м/с, подача — 1,0 м/мин, глубина резания — до 2,0 мм. Крепление заготовок из пенопласта при их обработке на токарных станках осуществляется на планшайбе шурупами с помощью переходников (рис. 2.24), переходников и крестовин (рис. 2.25) и на крестовинах болтами (рис. 2.26).
Рис. 2.24. Крепление заготовок на планшайбе с помощью
Переходников: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — деревянная колодка переходника; 4 — клей; 5 — заготовка; б — пенополистироловая колодка переходника
Рис. 2.25. Крепление заготовки при помощи переходников и крестовин: 1 — винт; 2 — планшайба; 3 — гвоздь; 4 — крестовина; 5 — подкладка; 6 — клей; 7 — заготовка; 8 — переходник
При обработке глухих и сквозных отверстий малых диаметров рекомендуется применять пластинчатые фрезы, шлифовальные камни и головки, фрезы с насечкой и другой инструмент.
Пенопласт хорошо обрабатывается на специальных установках, на которых в качестве режущего инструмента применяется нагретая до 450-500 0C проволока из нихрома диаметром 0,5-0,8 мм. По проволоке пропускают ток силой 3-5 А, величина которого регулируется при помощи трансформатора. Напряжение тока составляет 12-14 В (рис. 2.27). Устройство станка позволяет производить обработку заготовок под разными углами, в том числе получать сложные фигурные поверхности по предварительной разметке или по шаблону из термостойкого материала.
Рис. 2.26. Крепление заготовки на крестовине болтами: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — крестовина; 4 — болт; 5 — шайба с гайкой; б — заготовка; 7 — прокладка
Для получения чистой и ровной поверхности заготовки необходимо обеспечить подачу пенопласта со скоростью в пределах 4-6 см/с. Способ обработки
Пенопласта горячей проволокой отличается от механической. При резании проволокой происходит оплавление гранул полистирола, в результате чего поры затягиваются пленкой, которая образует поверхность с низкой шероховатостью, не требующей последующей чистовой обработки. Для получения замкнутых профилей внутри заготовки в ней делается отверстие, через которое пропускается проволока и производится обработка заготовки по разметке. По окончании обработки проволока отключается от источника тока и извлекается из замкнутого контура.
В настоящее время применяются специальные обрабатывающие центры горячей проволокой с числовым программным управлением, которые позволяют на порядок увеличить производительность при получении высокого качества модели. Например, станок модели СРП-3220 фирмы «Теплозол» (г. Кемерово).
При механической резке плит из пенополистирола на заготовки и их последующей обработке из-за низкого качества пенопласта могут иметь место различные дефекты: выпадание плохо спеченных гранул, впадины или углубления по месту реза, вырывы частиц пенопласта и др. В этом случае поверхность заготовки дополнительно обрабатывается на ленточно-шлифовальных станках или наждачной мелкозернистой шкуркой вручную.
Рис. 2.27. Станок для резки плит из пенополистирола нагретой проволокой: 1 — стол; 2 — плита; 3 — стойка; 4 — ползун; 5 — нихромовая нить; б — пружина; 7 — подставка; 8 — трансформатор; 9 — пенопласт
Грубые поверхностные дефекты могут быть исправлены следующими приемами: разделкой дефекта и установкой вставок или пробок из пенополистирола; нанесением на дефектное место клеящей бумаги типа «скотч»; заполнением глубоких вмятин парафином, воском или шпаклевкой на основе полиметилметакрилата и др. Небольшие дефекты могут закрываться липкой полиэтиленовой лентой (ГОСТ 18578-73). Галтели радиусом менее 8 мм оформляются липкой полиэтиленовой лентой, клеящейся бумагой. Галтели радиусом более 8 мм оформляются отдельными вставками с посадкой на клей (рис. 2.28).
Рис. 2.28. Оформление радиуса сопряжения вставкой
Из пенополистирола: 1 — модель; 2 — вставка; 3 — клей
Для сборки модели из отдельных ее элементов используется клей на спиртовом или бензиновом растворителе. Клей наносится кистью на подготовленные поверхности заготовок, которые после удаления растворителя соединяются между собой под небольшим давлением. На рис. 2.29 представлена модель корпуса подшипника, на рис. 2.30 — модель станины кузнечного молота, на рис. 2.31 — модель стола формовочной машины и на рис. 2.32, — модель кузнечных козел. Все они были изготовлены из заготовок, полученных из плит пенополистирола механической обработкой.
Рис. 2.29. Модель корпуса подшипника
Рис. 2.31. Модель стола формовочной машины
Рис. 2.32. Модель кузнечных козел
При механической обработке плит из пенополистирола могут быть выявлены дефекты, причины образования и способы устранения которых представлены в табл. 2.20.
Таблица 2.20
Виды дефектов, причины их образования и способы устранения при механической обработке пенопласта
Вид и причины образования дефектов |
Меры предупреждения и устранения дефектов |
Выкрашивание гранул с поверхности пенопласта при обработке режущим инструментом. Недостаточная прочность соединения гранул между собой (нарушена технология изготовления плит). Содержание в плитах посторонних примесей с повышенной прочностью. Недостаточная скорость резания, большая подача, неправильная заточка инструмента |
Применить плиты из пенополистирола в соответствии с ТУ. Повысить скорость резания, применить нормальный инструмент, уменьшить подачу инструмента. Дефекты исправляются шпаклевкой, заделываются клеящейся бумагой, изоляционной пленкой |
Окончание табл. 2.20
Вид и причины образования дефектов |
Меры предупреждения и устранения дефектов |
Волнистость поверхности. Наличие в пенополистироле посторонних примесей, неравномерная подача инструмента, низкая температура при резке проволокой, слабое ее натяжение |
Применить плиты из пенополистирола в соответствии с ТУ. Обработку проволокой производить при равномерной подаче и при заданной температуре, следить за натяжением проволоки. Волнистость устраняется последующим шлифованием |
Вмятины на поверхности плит и на заготовках модели. Образуются в результате неправильного хранения, при транспортировке и обработке |
Соблюдать меры предосторожности при хранении, транспортировке и при выполнении операций механической обработки |
Большая шероховатость поверхности заготовок. Неправильный выбор режущего инструмента и режимов резания |
Заменить инструмент, изменить режимы резания. Исправляется шлифованием |
2.5. Подготовка моделей к формовке
Заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока является нанесение противопригарного покрытия, к которому при ЛГМ предъявляются особые требования, вытекающие из технологии производства отливок и процессов, происходящих в формах при заливке их металлом. Противопригарное покрытие наносится на поверхность модели, которая имеет низкую шероховатость, поэтому покрытие должно хорошо смачивать материал модели, образуя с поверхностью прочную адгезионную связь. При формовке модели и уплотнении формы формовочный материал непосредственно воздействует на противопригарное покрытие, поэтому оно должно обладать высокой стойкостью к истиранию и достаточной когезионной прочностью. При заливке формы металлом модель дестругирует с образованием парогазовой фазы, которая должна свободно транспортироваться из зоны взаимодействия модели с металлом через противопригарное покрытие, поэтому покрытие должно обладать достаточной газопроницаемостью. Однако необходимо, чтобы пористость покрытия не снижала его технологическую прочность и при сохранении необходимой газопроницаемости обеспечивала получение отливок без пригара. Свойства противопригарных покрытий, которые применяются при изготовлении разовых форм по извлекаемым моделям, не соответствуют вышеизложенным требованиям, поэтому их не должны использовать при ЛГМ [5, 6, 14, 15].
Определение газопроницаемости покрытия является технологически сложной задачей. Сообщение о газопроницаемости покрытия без указания методики ее определения не может восприниматься достоверно. Ряд исследователей используют для определения газопроницаемости покрытия стандартные образцы из холоднотвердеющих песчаных смесей с известной газопроницаемостью. Такая методика дает искаженные результаты, т. к. при нанесении на такой образец покрытие проникает в его поры, закупоривает их и снижает газопроницаемость самого образца. Кроме того, по такой методике невозможно получить истинное значение толщины покрытия. По заданию фирмы «Teksid» в Миланском политехническом институте был разработан специальный прибор для определения газопроницаемости покрытия при комнатной температуре. Из стеклянного резервуара определенный объем сжатого воздуха пропускается через комбинированное отверстие под тонкую пленку отвержденного покрытия. Время падения давления в резервуаре до атмосферного принимается за меру газопроницаемости. Была установлена прямая связь между газопроницаемостью покрытия и качеством отливок из высокопрочного и серого чугу — нов [17].
Исследования, проведенные в институте проблем литья АН УССР (в настоящее время Физико-технический институт металлов и сплавов HAH Украины), показали, что на газопроницаемость покрытия существенное влияние оказывает физическое состояние его компонентов: скорость удаления дисперсной фазы, природа связующего, свойство огнеупорного наполнителя, его дисперсность и толщина слоя [21]. На рис. 2.33 показана зависимость газопроницаемости покрытия на водной и спиртовой основах от толщины его слоя и вида огнеупорного наполнителя.
Рис. 2.33. Газопроницаемость красок на водной {а) и спиртовой {б) основах в зависимости от толщины слоя покрытия и вида огнеупорного наполнителя: 1 — перлит; 2 — тальк; 3 — пирофилит; 4 — трепел; 5 — циркон;
6 — дистен силлиманит; 7 — перлит и маршалит; 8 — графит;
9 — пылевидный кварц; 10 — без наполнителя
На рис. 2.34 представлено влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки металла для бронзы и латуни. Зависимость величины давления в зоне взаимодействия модели с расплавленным металлом при его заливке в форму от газопроницаемости покрытия представлена на рис. 2.35.
Бр ОЦСЛ 7-5-1
0 5 10 15 20 25 30
Kn, см4/(г • с)
Приведенные результаты исследования показывают, что противопригарное покрытие не только обеспечивает качество поверхности отливки, но и непосредственно влияет на основные параметры процесса ЛГМ: скорость заполнения формы металлом, температуру заливки, заполняемость формы. Следовательно, свойства противопригарного покрытия при прочих равных условиях предопределяют формирование отливки, ее качество. В подтверждение сказанного в работе [10] установлено, что с увеличением толщины слоя противопригарного покрытия и снижением его газопроницаемости увеличивается поверхностное науглероживание отливок из стали. Установлено [10, 11], что толщина слоя покрытия на модели должна быть тем больше, чем больше пористость формы из песка, чем выше температура металла и его гидростатический напор при заливке формы. Рекомендуется найосить на модель слой покрытия толщиной 0,25-1,5 мм. Чем выше температура металла и металлостатический напор, тем толще должен быть слой краски при сохранении ее газопроницаемости. Взвешивание блока моделей до окрашивания и после сушки покрытия дает массу сухого покрытия, что является важнейшей информацией о стабильности условий нанесения покрытия. Отмечается, что качество наносимого на модель слоя покрытия зависит от его вязкости, седиментаци — онной устойчивости и плотности. Поэтому перед нанесением покрытия на модель рекомендуется его тщательно перемешивать. Если перемешивание краски остановить на 10 мин, то получить равномерный слой покрытия на модели практически невозможно. Газопроницаемость покрытия должна устанавливаться на основании равновесия скорости образования парогазовой фазы при термодеструкции модели и скорости ее удаления из зоны взаимодействия модели с металлом с целью минимального влияния продуктов термодеструкции на скорость заливки формы металлом.
1,10
0 5 10 15 20 25 30
Kn, см4/(г • с)
А
Рис. 2.34. Влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки бронзы (а) и латуни (б): Q — температура перегрева металла
Г3, с
Рис. 2.35. Влияние газопроницаемости покрытия на давление газа в форме при заливке металла с Tz= 1393 К:
1 — газопроницаемость 31 см4/(г • с); 2 — газопроницаемость 1 см4/(г • с)
К противопригарному покрытию при ЛГМ предъявляются и требования, которые при традиционных способах литья не свойственны ему. Покрытие должно повышать жесткость модели, увеличивать ее прочность, уменьшать возможность деформации стенок модели и элементов литниковой системы при формовке. Исследования показали, что увеличение прочности покрытия до 2,5 МПа увеличивает прочность модели на изгиб при ее плотности 20 кг/м3 в 4 раза. Получено уравнение прочности модели с покрытием в зависимости от прочности самого покрытия:
Где Xi — прочность покрытия на изгиб; X2 — толщина слоя покрытия; X3 — объемная плотность модели.
Состав быстросохнущих красок на основе поливинилбутираля, масс. %
Из уравнения следует, что прочность системы модель—покрытие в большей степени определяется прочностью покрытия. Для мелкого стального и чугунного литья хорошо зарекомендовали себя быстросохнущие покрытия на основе раствора поливинилбу — тираля в спирте, состав которых приведен в табл. 2.21 [7].
Таблица 2.21
Огнеупорный наполнитель |
Поли — винил — бутираль |
Гидролизный спирт |
Плотность краски, г/см3 |
Вид литья |
|||
Циркон |
Черный графит |
Кристаллический графит |
Марша — лит |
||||
- |
35 |
10 |
- |
2,5 |
52,5 |
1,1-1,25 |
Чугун |
60 |
- |
- |
- |
2,5 |
37,5 |
1,7-1,85 |
Сталь |
- |
- |
- |
50 |
2,5 |
47,5 |
1,25-1,4 |
» |
Таблица 2.22 Состав и свойства быстросохнущих покрытий на основе смолы MlOl
Состав краски |
Содержание, Масс. % |
Плотность, г/см3 |
Вязкость По ВЗ-4, с |
Время сушки, ч |
Отстой |
Металл отливок |
|
Через 7ч |
Через 24 ч |
||||||
Цирконовый концентрат Смола IOlM Клей 45-08 Бензин «калоша» |
67 2,0 10 21 |
1,6- 1,65 |
98 |
15-20 |
20 |
40 |
Сталь |
Графит кристаллический Графит аморфный Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша» |
10 33 5 10 42 |
1,1- 1,2 |
58 |
20 |
35 |
42 |
Чугун |
Тальк Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша» |
46 6 5 43 |
U — 1,14 |
56 |
20-25 |
13 |
28 |
Цветное литье |
Для крупных моделей можно применять быстросохнущие противопригарные покрытия на основе смолы MlOl5 составы которых приведены в табл. 2.22 [6].
Для чугунных отливок предлагается покрытие с высокой газопроницаемостью, когезионной и адгезионной прочностью на основе органических термостойких смол следующего состава, масс. % [22]:
Фенолформальдегидная смола 9-10;
Борная кислота 0,06-0,08;
Поливинилбутираль 2-3;
Вспученный фильтровальный перлит 7-9; этиловый спирт гидролизный остальное.
Для стальных отливок вместо вспученного перлита применяется термообработанный маршалит.
Для отливок из серого и высокопрочного чугунов рекомендуется водное покрытие на основе цирконовой пасты ЦП-2 (ГОСТ 10772-78) следующего состава, об. %:
TOC \o "1-3" \h \z концентрат цирконовый 50;
Декстрин кислотный 15;
Бентонит 15;
Вода техническая 20.
Сверх 100 % в краску добавляют формалин технический из расчета 40 г на 100 кг краски [21].
Повышенной газопроницаемостью и прочностью обладают противопригарные покрытия, состав которых приведен в табл. 2.23 [21].
Таблица 2.23
Состав водных противопригарных покрытий
Наименование компонентов |
Объемная доля, % |
|
Для нанесения кистью |
Для пульверизатора |
|
Водный раствор натрий карбоксиметил- |
38 |
55 |
Целлюлоза (Na-КМЦ) массовой концен |
||
Трации 30-35 г/см3 |
||
Смола СФЖ-309 |
8 |
12 |
Спирт гидролизный |
4 |
6 |
Огнеупорный наполнитель |
50 |
25 |
В качестве огнеупорного наполнителя для стальных отливок используются: маршалит, дистен-силлиманит, цирконовый концентрат; для чугунных отливок — дистен-силлиманит, графит (скрытокристаллический 80 % и кристаллический 20 %), перлит вспученный; для цветного литья — перлит вспученный, тальк, графит кристаллический. Газопроницаемость покрытия увеличивается с увеличением зернистости огнеупорного наполнителя в краске.
Для неответственных мелких отливок можно применять водные покрытия на основе паст ГП-1, ГП-2 для чугунных отливок и TIT-1, ТП-2 для отливок из цветных сплавов [23].
Нанесение противопригарного покрытия на модель осуществляется следующими способами: окунанием, обливом, с пульверизатора и кистью. Выбор способа нанесения покрытия определяется конструктивными параметрами модели, ее габаритами, жесткостью, прочностью и серийностью производства. Мелкие модели, собранные в блоки, и отдельные модели, обладающие достаточной жесткостью, красятся окунанием. При окунании модели в емкость с покрытием на нее действует архимедова сила выталкивания, равная объему вытесненной жидкости, поэтому необходимо принимать специальные меры для предохранения модели от деформации и разрушения. Модель необходимо погружать в краску медленно, строго вертикально, с опорой на всю верхнюю плоскость или применять специальные приспособления-кондукторы. При крупносерийном производстве для этой цели используются автоматические манипуляторы, которые кроме погружения моделей в краску после их извлечения из емкости производят манипуляции по заданной программе для слива излишков краски из внутренних полостей моделей. Так, в фирме «Peugeot» нанесение покрытия на модель 4-цилиндрового блока двигателя осуществляется роботом методом окунания. Модели охлаждаемых тормозных дисков окрашиваются при их вращении вокруг горизонтальной оси медленным погружением в бак с краской на специальной полуавтоматической линии. Метод полива применяется для моделей или модельных блоков, имеющих недостаточную жесткость и прочность, при серийном производстве. Крупные модели красятся из пульверизатора или кистью вручную.
Сушка противопригарного покрытия является заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока. Применяются три способа сушки противопригарного покрытия: естественная, принудительная тепловая и комбинированная. При естественной сушке модель после покраски помещается под вытяжной зонт, где и выдерживается до удаления растворителя. Процесс сушки ускоряется, если создается воздушный поток теплого сухого воздуха. Естественная сушка применяется главным образом при нанесении на модель быстросохнущих покрытий на спиртовом или бензиновом растворителе. Время сушки зависит от плотности краски, толщины ее слоя и составляет для одноразового покрытия 2-2,5 ч. Необходимо также учитывать, что на продолжительность процесса сушки существенное влияние оказывают влажность и температура воздуха в помещении.
Тепловая сушка применяется для водных покрытий. Она производится в тупиковых или проходных сушилах в потоке горячего воздуха при температуре 55-60 0C. Время сушки составляет 1-10 ч и зависит от толщины слоя покрытия и его состава. Так, сушка водного покрытия на модели впускного коллектора автомобильного двигателя в потоке горячего воздуха при температуре 50 0C показала, что 97 % влаги было удалено за 125 мин, остальные 3 % — за 252 мин, или общее время сушки составило около 6,5 ч [10]. При применении покрытий с хорошей газопроницаемостью возможно применение моделей с покрытием, содержащим остаточную влагу до 3—4 масс. %, что позволяет резко сократить время тепловой сушки.
Комбинированные способы сушки применяются в серийном производстве отливок с целью сокращения времени удаления влаги при применении водных противопригарных покрытий. При данном способе окрашенная модель первоначально подвергается сушке в воздушном потоке при температуре 50-60 0C в течение 30-90 мин, при этом удаляется 60-80 % влаги. На втором этапе модель помещается в микроволновую печь на 6-15 мин для удаления оставшейся воды. Расход электроэнергии при этом составляет 0,52 кВт/м2 объема камеры или 0,9-2,0 кВт на один модельный блок, состоящий из 4-8 моделей впускного коллектора к автомобильному двигателю [24].
Глава III
3.1. Термодеструкция моделей из пенополистирола
Формирование поверхности отливки, ее геометрии и физико — механических свойств при ЛГМ происходит в результате сложных процессов массо — и теплопереноса в системе модель—металл— форма. Наличие модели в форме, которая газифицируется под действием расплавленного металла, меняет сложившиеся теоретические и технологические представления о процессах формирования отливки. Как ни в одном из ранее существующих технологических способов производства отливок, продукты термической деструкции модели предопределяют качество отливки. Очевидно, что главная роль в процессах формирования отливки при данном способе литья принадлежит газовому режиму литейной формы.
Под газовым режимом литейной формы следует понимать количественное и качественное изменение во времени продуктов термической деструкции модели в полости формы, на границе металл—форма и в стенках формы во время заливки металла, его кристаллизации, охлаждения и взаимодействие этих продуктов с металлом на всех стадиях формирования отливки.
1 2
L
У
Рис. 3.1. Физическая модель процесса: 1 — форма; 2 — модель из пенополистирола; 3 — расплавленный металл
H
Установлено [2], что если при нагреве вещества с низкой теплопроводностью выше температуры его разрушения происходят фазовые и химические превращения, то, согласно теории тепло — и массопереноса, процесс термодеструкции вещества локализуется в узком фронте превращения, а скорость продвижения в глубь вещества будет определяться мощностью источника тепловой энергии и теплофизическими свойствами самого вещества. Пенополисти — рол при объемной массе 20-30 кг/м3 обладает низкой теплопроводностью (А. = 1,35 Вт/(м • К)), теплоемкостью (с = 444,45 Дж/К) и температуропроводностью (а = 5,7 ¦ IO7 Вт/(м • К)), поэтому процесс термодеструкции модели в полости формы под воздействием тепловой энергии расплавленного металла будет локализоваться в узком фронте взаимодействия модели с металлом, скорость перемещения которого будет определяться теплофизическими свойствами материала модели, гидравлическими свойствами формы, температурой и скоростью заливки формы расплавом (рис. 3.1). На рис. 3.2, а представлены результаты исследования процесса термодеструкции модели из пенополистирола плотностью 25 кг/м3 при заливке формы алюминиевым сплавом (Гзал = 750 °С) [16]. Термопара была расположена в модели вертикально и фиксировала все процессы фазовых превращений в ней на границе модель— металл при подъеме расплава и замещении им модели в плоскости средней ее части. Результаты изменения температуры в зоне начала и конца взаимодействия металла и модели показывают, что процесс имеет пять стадий. На I стадии происходят усадка модели и образование зазора между моделью и металлом; на II — плавление модели; на III стадии протекает термодеструкция модели с выделением газовой, паровой, жидкой и твердой фаз; на IV стадии зафиксирован процесс термодеструкции жидкой фазы на зеркале металла; волнистость на температурной кривой на V стадии характеризует падение капель жидкой фазы с фронта разложения модели на зеркало жидкого металла и температуру самого металла, т. е. продвижение зоны взаимодействия металл—модель. При скорости подъема металла 4,35 см/с величина зазора между моделью и металлом составила 4,35 • 0,2 = 0,87 (см).
И |
700 |
О |
|
Св ? |
650 |
? а |
600 |
О. |
|
(D С |
550 |
S |
|
(D H |
500 |
450 |
|
400 |
|
350 |
|
300 |
|
250 |
|
200 |
|
150 |
|
100 |
|
50 |
А
: |
||||||||
—— |
— |
— |
||||||
J |
J |
— |
||||||
: |
—— |
—— |
——- |
—— |
||||
!—- |
||||||||
- |
||||||||
— |
||||||||
— |
- |
|||||||
— |
- |
- |
||||||
!— |
И’ |
— |
||||||
— |
||||||||
( IJ |
UU |
/ |
V |
|||||
[V |
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Время, с
Рис. 3.2. Изменение температуры в зазоре между моделью и металлом: а) при плотности модели 25 кг/м3:1 — усадка модели и образование зазора; II — плавление модели; III — термодеструкция модели; IV — плавление жидкой фазы; V — температура металла; б) при плотности модели 36 кг/м : I — усадка модели; II — переход в эластичное состояние и начало плавления модели; IH — плавление и термодеструкция модели; IV — термодеструкция жидкой фазы на зеркале металла; V — температура металла (см. также с. 102)
И 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Время, с
G 500 S
? 450 400 350 300 250 200 150 100 50
Б у 650 g 600
Рис. 3.2. Окончание
На рис. 3.2, б представлена температурная зависимость для модели из пенополистирола плотностью 36 кг/м3 при идентичных условия заливки формы металлом.
При плотности модели 36 кг/м3 более четко фиксируются фазовые переходы термодеструкции модели: усадка и переход полистирола в эластичное состояние (зона I), плавление и начало деполимеризации полистирола (300 0C) (зона II), образование и накопление жидкой фазы и ее термодеструкция до паровой и газовой фаз со значительным поглощением тепла (зона III). С увеличением плотности модели увеличивается и расход тепловой энергии металла. Так, при плотности модели 25 кг/м3 температура металла при дальнейшем продвижении зоны взаимодействия модель— металл составила 650 0C, а при плотности модели 36 кг/см2 она снизилась еще на 40° и составила 610 0C. Величина зазора также увеличилась и при скорости подъема металла в форме 3,33 см/с составила 3,33-0,3 = 0,99 (см). Таким образом, полученные результаты исследования процесса взаимодействия модели и металла при заливке формы подтверждают предлагаемую физическую модель процесса ЛГМ (рис. 3.1).
Между скоростью подъема металла в полости формы Vmct, скоростью продвижения фронта термодеструкции модели Vu и скоростью удаления продуктов при термическом разрушении модели Vr существует термодинамическое равновесие, которое определяет величину фронта превращения модели зазор 8 между расплавом и моделью и давление в полости зазора Рф. Очевидно, что определяющим в этой динамической системе следует считать кинетику процесса термодеструкции пенополистирола, т. е. скорость протекания химических и фазовых превращений.
Путем многочисленных исследований установлено, что термическая деструкция пенополистирола сопровождается сложными фазовыми и химическими превращениями, в результате которых образуются жидкие, паро - и газообразные, а также твердые продукты, причем глубина протекания процесса разрушения модели при прочих равных условиях определяется только температурой источника тепловой энергии [1, 3, 4, 5].
При нагреве пенополистирола выше 81 0C он переходит в высокоэластическое состояние, при котором происходит его увеличение в объеме за счет внутреннего давления паров порообразователя; при дальнейшем нагреве до 239 0C пенополистирол переходит в вязкотекучее состояние; при 300 0C начинается процесс деполимеризации полистирола. Установлено, что при нагреве полистирола до 350 0C разрушение его происходит с выделением четырех фракций [3]. Самая летучая фракция состоит из оксида углерода, который образуется в результате химического взаимодействия полистирола с адсорбированным кислородом. Две другие фракции имеют одинаковую молекулярную массу (263-264), но обладают различной летучестью. Одна фракция летуча как при температуре реакции (350-420 0C), так и при комнатной (20 0C); она состоит из 92-94 % стирола, 4-8 % толуола и содержит следы этилбензола и метилстирола. Вторая летуча только при температуре реакции и содержит наряду со стиролом димер стирола (19,32 %), тример стирола (32,08 %) и тетрамер стирола (3,85 %). Жидкая фракция нелетуча и состоит из осколков полимерной цепи с молекулярной массой около 2000. При нагреве полистирола до 500 0C деструкция его идет в основном до мономера и небольшого количества диме — ра. При нагреве выше 500 0C происходит интенсивный рост газовыделения и появляется негазифицируемый остаток.
Результаты исследования полистирола в условиях высокотемпературного теплового удара, при котором полистирол помещался в печь при заданной температуре, представлены в табл. 3.1 [4].
Из данных таблицы следует, что с повышением температуры пиролиза возрастает глубина термодеструкции полистирола, характеризующаяся ростом количества газообразных продуктов и коксового остатка. Следует ждать подобной закономерности и при термодеструкции модели из пенополистирола в литейной форме при заливке ее металлом.
Таблица 3.1
Анализ продуктов термодеструкции полистирола
Темпе |
Выход газа, см3/г |
Состав газа, об. % |
Выход, вес. % |
||||
Ратура в печи, 0C |
CllHm |
H2 |
CH4 |
Газ |
Жидкая фаза |
Твердая фаза |
|
800 |
165 |
20,5 |
37 |
34,6 |
ПД |
70,8 |
18,1 |
175 |
20,8 |
35,5 |
35,4 |
12,0 |
70,4 |
17,5 |
|
1000 |
500 |
2,5 |
74,3 |
19,3 |
15,1 |
23,5 |
61,4 |
518 |
2,4 |
71,4 |
21,7 |
14,8 |
27,2 |
58,0 |
|
1200 |
738 |
1,5 |
82,3 |
9,3 |
18,5 |
11,5 |
65,0 |
689 |
1,3 |
82,3 |
10,2 |
16,3 |
18,9 |
64,7 |
Однако необходимо учитывать различие между процессом термодеструкции пенополистирола в литейной форме и пиролизом полистирола в условиях эксперимента, изложенного в [4]. В литейной форме летучие продукты удаляются из зоны взаимодействия модели и металла, а сам процесс термодеструкции протекает при взаимном перемещении фронта превращения полистирола и расплава и локализуется в небольшом зазоре между ними.
Исследование процесса термодеструкции модели проводилось на установке (рис. 3.3) по методике, имитирующей технологию литья по газифицируемым моделям [9].
Исследуемый образец из пенополистирола 4 помещался в гильзу 5 из нержавеющей стали, которая соединялась с рейкой 8. Рейка связана с поперечиной 6, которая вертикально перемещается с помощью маховика 14 по рейке 11, закрепленной на станине 18. Штанга с гильзой и образцом устанавливается в такое крайнее верхнее положение, чтобы можно было опустить гильзу с помощью электропривода в крайнее нижнее положение, обеспечив полное
Рис. 3.3. Экспериментальная установка для исследования термодеструкции пенополистирола
Погружение образца с заданной скоростью в ковш 1 с металлом, который перекрывается крышкой 3 с отверстием по центру для прохода гильзы. Перед проведением эксперимента отверстие в крышке перекрывается заслонкой 19. Образец из пенополистирола диаметром 50 мм и высотой 50 мм с отверстием диаметром 10 мм помещается в гильзу на высоте 50 мм от ее нижней кромки. Внутренняя и наружная поверхности гильзы покрывались (толщина слоя 0,1-0,2 мм) противопригарной негазотворной краской, которая после нанесения на гильзу прокаливалась при температуре 300-350 0C в течение 2 ч. Парообразные продукты пиролиза улавливались в ловушке 15. По изменению давления в емкости 17 определялись объем и кинетика выделения газов, которое фиксировалось тензометрическими датчиками ТД-1 и ТД-2. Начало и конец погружения образца в металл фиксировались электрическими контактами. Для учета влияния гильзы на давление в емкости 17 проводился эксперимент без пенополистирола. Объем выделяющихся газов определялся по формуле
Где Pocц — давление, фиксируемое осциллографом; t — температура газа в емкости.
Масса парообразных продуктов пиролиза определялась по разности массы фильтра в ловушке до и после эксперимента. Количество твердых продуктов определялось по разности массы образца и суммарной массы газа и конденсата. Количественный и качественный анализ производился на хромотографе ХЛ-2, анализ конденсата — на хромотографе «Цвет-2». Результаты исследования пенополистирола марок ПСВ-Л и ПСБ-А плотностью 25 кг/м3 при температуре металла 700, 1300 и 1550 0C при скорости погружения образца 1 и 2,5 см/с представлены в табл. 3.2 и 3.3. Из табл. 3.3 следует, что глубина пиролиза зависит от температуры, с повышением которой увеличивается выход газообразных продуктов и коксового остатка, что качественно согласуется с результатами, приведенными в табл. 3.1. Наличие кислорода в пенополистироле, как адсорбированного, так и свободного в порах пенопласта, приводит к окислительной термодеструкции полистирола с образованием СО. Реакцию окисления полистирола можно представить следующим образом:
ОН
О
Так как энергия связи О—H составляет около 104 ккал/моль, а О—О — 45 ккал/моль, то при нагреве полистирола происходит разрыв связи О—О с образованием радикала ЮН. Энергия связи С—О составляет 75-79 ккал/моль, а энергия связи третичного углерода ослаблена бензольной группой и составляет около 60 ккал/моль, поэтому при нагревании происходит разрыв данной связи с образованием активного радикала *СбН5. При разрыве связи С—C6H5 образуется двойная связь C=O, энергия которой
Составляет 175-191 ккал/моль, в то время как энергия связи между С—С в главной цепи полистирола равна 85,7 ккал/моль, вследствие чего происходит разрыв углерод-углеродных связей с образованием молекулы СО и двух полимерных радикалов:
Или радикала и полимолекулы:
«С8Н8 XC8H8 + («-х) С 8Н8 (B1)
Но радикалы, образованные под действием окислительной термодеструкции по реакции (В), будут подвергаться дальнейшей окислительной деструкции по реакции (А), что приведет к уменьшению количества мономера в полимерной цепи полистирола до его полной деполимеризации.
Таблица 3.2
Состав газообразных продуктов термодеструкции пенополистирола в зависимости от температуры и скорости заливки металла
Состав |
ПСВ-Л |
ПСБ-А |
||||
Газа |
700 0C |
13000C |
15500C |
700 0C |
1300 0C |
15500C |
H2 |
25,9 |
54,3 |
68,5 |
22,6 |
53,3 |
57,5 |
23,1 |
52,2 |
60,0 |
20,6 |
50,1 |
55,4 |
|
СО |
20,4 |
9,7 |
8,5 |
26,2 |
7,95 |
21,3 |
29,3 |
11,5 |
17,0 |
30,0 |
15,1 |
29,6 |
|
CH4 |
27,9 |
12,4 |
9,76 |
13,1 |
13,0 |
8,53 |
19,7 |
13,0 |
8,7 |
15,7 |
14,7 |
8,24 |
|
C2H4 |
17,7 |
9,23 |
3,37 |
23,5 |
7,35 |
2,1 |
16,7 |
8Д |
3,7 |
14,6 |
10,2 |
2,14 |
|
C2H6 |
1,56 5,3 |
8,61 8,59 |
5,3 7,0 |
2,74 5,68 |
12,5 4,81 |
4,68 2,1 |
Окончание табл. 3.2
Состав |
ПСВ-Л |
ПСБ-А |
||||
Газа |
700 0C |
13000C |
15500C |
700 0C |
13000C |
1550 0C |
С2Н2 |
0,25 0,27 |
0,4 0,4 |
0,3 0,4 |
0,3 0,33 |
0,16 0,33 |
0,29 Од |
СзНб |
— |
0,83 0,99 |
0,76 0,5 |
0,3 1,0 |
0,21 0,73 |
0,74 0,4 |
C3Hg |
— |
0,12 0,11 |
0,43 0,12 |
— |
0,03 0,28 |
0,06 0,06 |
/-C5Hj2 |
6,31 6,6 |
4,63 5,15 |
3,27 2,4 |
11,3 12,6 |
5,54 3,65 |
4,5 1,91 |
Примечание. Верхняя строка -— результаты анализа при скорости подъема металла в форме 2,5 см/с, нижняя строка — 1,0 см/с.
Таблица 3.3
Состав продуктов термодеструкции при у = 25 кг/м3, вес. %
Продукты термодеструкции |
ПСВ-Л |
ПСБ-А |
||||
700 0C |
13000C |
15500C |
700 0C |
13000C |
15500C |
|
Парообразные продукты термодеструкции |
||||||
C6H6 |
13,0 13,15 |
2,35 2,25 |
0,11 0,12 |
13,05 13,50 |
2,18 2,00 |
0,16 0,08 |
C7H8 |
4,35 4,35 |
1,60 1,15 |
0,09 0,03 |
4,35 4,50 |
0,72 1,35 |
0,08 0,04 |
CgH8 |
69,40 70,10 |
11,85 11,25 |
0,20 0,25 |
69,70 71,90 |
11,70 10,05 |
0,56 0,28 |
Итого: |
86,75 87,60 |
15,80 15,00 |
0,40 0,40 |
87,10 89,90 |
14,60 13,40 |
0,80 0,40 |
Газообразные продукты термодеструкции |
||||||
H2 |
0,28 0,22 |
0,75 0,72 |
2,56 2,11 |
0,25 0,15 |
0,75 0,95 |
1,43 1,90 |
СО |
2,94 3,74 |
1,89 2,24 |
4,34 9,43 |
4,19 3,36 |
1,56 3,89 |
7,20 14,35 |
N2 |
— |
4,67 3,06 |
7,25 3,91 |
— |
3,94 1,18 |
10,22 3,56 |
CH4 |
2,19 1,49 |
1,34 1,52 |
2,95 2,50 |
1,19 0,90 |
1,45 2,30 |
1,76 2,26 |
Окончание табл. 3.3
Продукты |
ПСВ-Л |
ПСБ-А |
||||
Термодеструкции |
700 0C |
13000C |
15500C |
700 0C |
13000C |
1550 0C |
C2H4 |
2,74 |
1,79 |
1,75 |
0,38 |
1,43 |
0,70 |
2,12 |
1,57 |
1,86 |
1,37 |
2,72 |
1,05 |
|
C2H 6 |
0,25 |
2,30 |
2,95 |
0,47 |
2,56 |
1,73 |
0,75 |
1,76 |
3,78 |
0,60 |
1,37 |
1,09 |
|
C2H2 |
0,02 |
0,07 |
0,15 |
0,04 |
0,03 |
0,09 |
0,03 |
0,07 |
0,19 |
0,03 |
0,08 |
0,06 |
|
СзНб |
— |
0,25 |
0,55 |
0,09 |
0,06 |
0,35 |
- |
0,38 |
0,41 |
0,15 |
0,31 |
0,25 |
|
СзН8 |
- |
0,04 |
0,41 |
- |
0,01 |
0,04 |
- |
0,21 |
0,33 |
- |
0,13 |
0,12 |
|
/-C5H12 |
2,38 2,25 |
2,30 3,17 |
4,40 3,08 |
4,19 3,25 |
2,82 2,67 |
3,98 3,26 |
Итого: |
10,80 |
15,40 |
27,30 |
10,80 |
14,60 |
27,50 |
10,60 |
14,60 |
27,60 |
9,80 |
15,60 |
27,90 |
|
Углерод |
3,25 |
68,80 |
72,30 |
2,10 |
70,80 |
71,70 |
1,80 |
70,40 |
72,00 |
1,30 |
71,00 |
71,70 |
|
Всего: |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
Примечание. Верхняя строка — результаты анализа при скорости подъема металла в форме 1,0 см/с, нижняя строка — 2,5 см/с.
Радикалы ОН могут вступать в реакцию замещения с водородом, образуя нейтральную молекулу воды (пара):
ОН* + H2 H2 О + Н« + 14 (ккал/моль)
Реакция (В) при высоких температурах может протекать самостоятельно, без участия кислорода, как реакция деполимеризации, с образованием активных радикалов, молекул стирола и его производных.
В работе [3] показано, что деполимеризация полистирола идет по закону цепной реакции и имеет три стадии: инициирование, рост и обрыв цепи. Инициирование рассматривается как разрыв углерод-углеродных связей главной цепи, при этом на концах молекул образуются радикалы. Образованные радикалы взаимодействуют с реакционноспособным атомом водорода главной цепи по внутримолекулярному (1) или межмолекулярному (2) механизму реакции:
HHHH
Illl
TOC \o "1-3" \h \z + C = C-C = C (1)
I / I /
H CgH5 H C6H5 H H [email protected] HH HH HHH
11/111 Il III
-С — С»+ — С — C — C^-C-C-H +-С =C + «С — С — (2) H C6H5 C6H5 H C6H5 H C6H5 C6H5 H СбН5 H
Внутримолекулярный механизм реакции рассматривается Сим — хом, Уоллом и Блату как причина образования больших, чем мономер, летучих осколков цепи — димера, тримера и тетрамера.
В результате окислительной деструкции полистирола образуются радикалы eC6H5; «ОН; H*; eC8H8; eC8H7, а также молекулы СО, H2 и H2O. Таким образом, в результате деполимеризации полистирола при высоких температурах образуются активные радикалы мономера и его производных. В реальных условиях литейной формы, при наличии кислорода в порах формы и пенополистирола, термодеструкция полистирола будет происходить в результате как окислительных реакций, так и деполимеризации.
На основании данных табл. 3.1-3.3 можно предположить, что рассмотренный выше механизм термической деструкции характерен при заливке форм сплавами с температурой 700-800 0C, например алюминием. Наличие значительного количества бензола в продуктах термодеструкции можно объяснить реакцией рекомбинации радикалов фенола с водородом:
-C6H5 + H— C6H6 (3.1)
Или реакцией замещения:
-C6H5 + H2-C6H6 + H — (3.2)
-C — C — C-С* ^-C — С*
I / I / I /
H C6H5 H C6H5 H C6H5
Реакция рекомбинации идет с нулевым значением энергии активации и является экзотермичной (82 ккал/моль). Для протекания этой реакции необходимо интенсивно отводить тепло, поэтому следует предположить, что реакция (3.1) протекает интенсивно в порах литейной формы, стенки которой ввиду высокой теплоемкости песка являются хорошим аккумулятором тепла. Константа скорости реакции замещения (3.2) определяется по формуле [6]
6500
Высокое значение константы скорости реакции говорит о том, что реакция (3.2) интенсивно развивается в зоне высоких температур, что имеет место при непосредственном взаимодействии модели из пенополистирола с расплавом в полости литейной формы при ее заливке.
Образующиеся в результате деполимеризации пенополистирола молекулы стирола при высоких температурах могут распадаться по следующей схеме:
C6H5CHCH2 C6H5CH С H + H — - 98 (ккал) (3.4)
C6H5CHCH2-* С 6Н5 + С 2Н3 — 60 (ккал) (3.5)
Первая реакция более экзотермична, поэтому при средних температурах будет наблюдаться реакция (3.5). Константа скорости этой реакции имеет вид [7]:
6000
Если принять за основу реакцию (3.5), то последующий радикальный процесс пиролиза стирола можно представить таким образом:
С2Н3 + Н2^С2Н4 + Н« (3.7, в)
С 2Н3 + C2H4 C4H6 + Н« (3.7, б)
IC2H4 —> С 2Нз + C2H5 — 65 (ккал) (3.7, в)
C2H5 + H2 -> C2H6 + H — (3.7, г)
•С6Н5 + CH3 C7H8 + Q (3.7, ё)
-C6H5 + H2 -> C6H6 + H — (3.7, ж)
H-H 2 +Q (3.7,«)
Константа скорости указанных выше реакций имеет вид:
6800
9300
65 000
10 800
К7г= 0,3-1012е RT,
86 ООО
Реакции обрыва цепи (3.7, ё) и (3.7, и) идут с нулевой энергией активации и экзотермичны, однако их протекание вполне вероятно, т. к. выделившаяся энергия поглощается эндотермическими реакциями разрыва связей при пиролизе полистирола и его производных. Наличие экзотермических реакций в зоне взаимодействия модели с металлом в литейной форме уменьшает потери тепловой энергии расплава на процесс газификации пенополистирола, чем объясняется сравнительно хорошая заполняемость формы при ЛГМ.
В результате термической деструкции стирола и его производных в газообразных продуктах реакций содержатся молекулы водорода, этилена, этана, бензола, толуола и активные радикалы •СНз, eC6H5, "СгНз, — C2H5 и — Н. Взаимодействие активного метального радикала с другими радикалами и молекулами приводит к образованию новых радикалов и молекулярных соединений:
(3.7, д)
С H3 + H2 -> CH4 + — Н; IgA = 13,24; E = 9100 (кал) (3.8, а) С H3 + — H — CH4 + 109 ккал; E « 0 (3.8, б)
C H3 + H2O -> CH4 + ОН; IgA = 13,1; E « 22 500 (кал) (3.8, в) С H3 + C2H5 CH4 + C2H2; Еъ 0 (3.8, г)
С H3 + — C2H4 CH4 + C2H3; IgA = 10; E = 7000 (кал) (3.8, д)
С H4 + C6H6 CH4 + С 6Н5; IgA = 10; E = 9000 (кал) (3.8, ё)
Анализ приведенных реакций показывает, что наиболее вероятным источником образования метана являются реакции (3.8, а, д и е) или реакции замещения радикалов, идущие с высокими скоростями с незначительной величиной энергии активации. Остальные реакции либо требуют высокой энергии активации (3.8, в), либо весьма экзотермичны, и поэтому их протекание возможно в процессе фильтрации газовой фазы через поры литейной формы. Пиролиз метана при высоких температурах, но ниже 1600 К протекает по цепному механизму. Кассель установил, что пиролиз метана является реакцией 1-го порядка с константой скорости [7]:
79 000 ± 6000
IOlO1V RT с-1
И предложил следующий механизм цепной реакции:
(3.9, а) (3.9, б) (3.9, в) (3.9, г) (3.9, д)
CH4^ СН2 + Н2 •СН2 + CH4 -> C2H6 C2H6 -> C2H4 + H2 C2H4 C2H2 + H2 C2H2 2С + H2
Таким образом, термическая деструкция метана по цепному механизму протекает с высокими скоростями и конечными продуктами реакций являются углерод и водород. Это полностью соответствует данным, приведенным в табл. 3.2, из которых видно, что с повышением температуры значительно увеличивается содержание углерода и водорода в составе конечных продуктов.
При температуре выше 800 0C происходит цепная реакция разложения бензола с образованием ацетилена, водорода и углерода, причем последний является катализатором пиролиза бензола. Цепной механизм образования ацетилена из бензола выглядит следующим образом [3]:
C6H6 — C6H5+ H — (3.10, в)
•С6Н5 — 2С2Н2+ C2H (3.10,6)
•С2Н + C6H6 — С 6Н5 + C2H2 (3.10, в)
2 С 2Н — обрыв цепи (3.10, г)
Скорость цепной реакции образования ацетилена из бензола определяется по уравнению
59 000 3
= IO^e -[C2H6P (3.11)
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
Марка полистирола, страна-изготовитель |
Содержание мономера, % |
Молекулярная масса |
Cmuponopy Германия |
0,15 |
50 000 |
Умопор, Чехословакия |
0,25 |
40 000 |
Польша |
0,25 |
50 000 |
Япония |
0,05-0,15 |
70 000 |
Швейцария |
0,05-0,15 |
80 000 |
ПСБ-А, Россия |
0,1-0,25 |
35 000 |
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)
Показатели |
ПСВ-Л 1 |
ПСВ-Л 1С |
|
А |
Б |
А |
Б |
Внешний вид |
Полупрозрачные |
Белые непрозрачные |
|
Окончание табл. 2.5
Показатели |
ПСВ-Л1 |
ПСВ-Л 1С |
||
А |
Б |
А |
Б |
|
Содержание остаточного мономера, %, не менее |
0,3 |
|||
Содержание порообразователя, %, не менее |
5,5-6,6 |
5,5-6,5 |
5,0 |
|
Относительная вязкость в 1,0% растворе бензола, не менее |
1,8 |
1,7 |
||
Гранулометрический состав, % остатка после просеивания на сите с сеткой : № 5, не менее № 2, 5, не более № 2, 5, не менее |
70 10 |
80 |
70 10 |
80 |
Насыпная масса вспененных гранул, г/л, не более |
20 |
30 |
||
Слипаемость гранул по классам 0, 1,2,3 |
0-1 |
|||
Скорость газификации при тепловом ударе (900 °С), г/с, не менее |
9,0 • IO 3 |
|||
Скорость плавления при тепловом ударе (900 °С), см/с, не менее |
2 |
1,6 |
||
Содержание активного кислорода, %, не менее |
0,03 |
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)
Показатели |
Норма для марок |
||
ПСВ- ГМ409 |
ПСВ- ГМ406 |
Псв- ГМ404 |
|
Диаметр гранул основной фракции, MM |
0,8-1,6 |
0,63-0,8 |
0,4-0,63 |
Содержание основной фракции, % |
94 |
91 |
|
Массовая доля порообразователя в течение гарантийного срока, %, не менее |
5,4 |
5,2 |
5,0 |
Массовая доля остаточного мономера, %, не более |
0,2 |
||
Относительная вязкость, не менее |
1,8 |
||
Кажущаяся плотность пенополистирола, кг/м3, не более |
25 |
30 |
35 |
Разрушающее напряжение при статическом изгибе, кгс/см2 (МПа), не менее |
1,8 (0,18) |
2,2 (0,22) |
Таблица 2.7
Показатели |
ПСВ-65С |
ПСВ-55С |
||
B. C. |
С. С. |
B. C. |
С. С. |
|
Массовая доля воды, %, не более |
1,0 |
|||
Относительная вязкость |
1,8 |
|||
Количество порообразователя, %, не менее |
5,0 |
|||
Гранулометрический состав, средний диаметр гранул, мм |
1,0-1,6 |
0,5-1,0 |
||
Объемная плотность, кг/м3 |
18-22 |
18-25 |
22-26 |
26-30 |
Предел прочности при статическом изгибе, кгс/см2, не менее |
1,95 |
2,4 |
Основные свойства плит из пенополистирола
Показатели |
ПСБ-А |
KP — 2255 (ФРГ) |
ПСВ-JIl |
Экспорит |
Содержание остаточного мономера, % |
0,25 |
0,15 |
0,1-0,19 |
0,2 |
Содержание порообразователя, % |
4,5 |
6,0 |
5,5-6,5 |
5,5-6,0 |
Относительная вязкость |
1,6 |
1,8 |
1,6-2,1 |
1,89 |
Объемная масса, кг/м3 |
20 |
20 |
20 |
20 |
Предел прочности на сжатие при 10% деформации, кгс/см2 |
1,3-1,5 |
0,9-1,1 |
1,18-1,5 |
|
То же при статическом изгибе |
1,9-1,5 |
1,6 |
2,0 |
3,0-3,5 |
Скорость газификации, (г/с) ¦ IO3, при 900 0C |
5,77-7,0 |
8,2 |
9,4-9,7 |
— |
Скорость плавления, см/с, при 900 0C |
2,2-2,3 |
2,1-2,8 |
2,05-2,5 |
— |
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
Свойства пенопласта |
Пенопо- листирол |
Пенополиуретан |
Фторопласт ФРП-1 |
Температура начала полимеризации, 0C |
120 |
190 |
140 |
Температура начала испарения (деполимеризации), 0C |
320 |
230 |
400 |
Температура горения, 0C |
560 |
580 |
780 |
Окончание табл. 2.1
Свойства пенопласта |
Пенополистирол |
Пенополиуретан |
Фторопласт ФРП-1 |
Негазифицируемый остаток, % |
0,015 |
14 |
44 |
Удельное газовыделение при |
105 |
730 |
600 |
1000 °С, см3/г |
|||
Время горения образца, с |
10-20 |
30-40 |
65-110 |
Из данных табл. 2.1 следует, что пенополистирол в наибольшей степени удовлетворяет требованиям к пенопластам для изготовления газифицируемых моделей [3]. Однако применение обычного пенополистирола также не обеспечивало требуемого качества отливок. Опыт освоения ЛГМ позволил сформулировать перечень основных требований к материалу для газифицируемых моделей:
• при заливке формы металлом модель должна полностью газифицироваться с минимальным поглощением тепла;
• материал при низкой плотности должен обладать достаточной механической прочностью при изготовлении модели, ее транспортировке и формовке;
• материал должен обеспечить получение качественной поверхности модели при ее тепловой или механической обработке;
• модели не должны терять свои технологические, механические и теплофизические свойства при длительном хранении;
• материал для производства моделей и отливок не должен быть дорогим и токсичным.
Исследовательские работы по созданию специального модельного материала проводились в разных странах на основе улучшения свойств полистирола. В 1962 г. фирмой «BASF» (ФРГ) был получен патент под названием Exporit, который был разработан по заданию фирмы «Grunweid and Hartman». Модели из этого материала при объемной массе 15-20 кг/м3 имели качественную поверхность, достаточно высокую прочность и повышенную скорость газификации [4]. Английская фирма «Shell» первоначально поставляла полистирол для газифицируемых моделей марки Mon — topire, а затем специальный полистирол марки Stirofoom, известный как «голубой полистирол», который наряду с хорошими технологическими свойствами обладал высокой скоростью газификации при температурах заливки форм металлом и незначительным коксовым остатком по сравнению с уже известными марками полистирола [7]. В ГДР фирма «УЕВ Chemishe Werke Buna» поставляла для литейного производства полистирол марки Polystyrol — shaum. В США для газифицируемых моделей фирма «Dow Chemical» разработала сополимер стирола и акрилонитрила взамен широко известной марки Stirofoom. Специальный полистирол для моделей поставляли фирмы Японии, Чехословакии и других стран. В настоящее время фирма «Агсо» поставляет специальный полистирол марок 271Г и 271Х, фирма «BASF»—VR 520, VR 555, VR 2555, фирма «CDF Chimia» — 25С и 35С. Все специальные марки полистирола для изготовления моделей отличаются от строительного более высоким содержанием порообразователя (до 7-9,5 %), специальными присадками, которые увеличивают скорость газификации модели под воздействием температуры заливаемого в форму металла (красители, радикалообразуюгцие вещества и т. д.), равномерным гранулометрическим составом. Это позволяет изготавливать модели сложной конфигурации с толщиной стенок до 2 мм и объемной их плотностью 17-22 кг/м3.
В СССР для изготовления моделей первоначально применялся строительный полистирол марки ПСБ-А. В 1966 г. ВНИИПластпо — лимер (г. Ленинград) разработал специальный полистирол марки ПСВ-Л, производство которого было освоено Кусковским химкомбинатом (г. Москва), а позднее его производство было организовано на Узловском комбинате АО «Пластик» (Тульская обл.) [6].
В 1989 г. ВНИИПластполимер разработал новый литейный материал на основе полистирола трех марок: ПСВ-ГМ409, ПСВ — ГМ406 и ПСВ-ГМ404, которые прошли испытание в литейных лабораториях ВНИИТАвтопрома (г. Москва) и ВПКТИСтройдор- маша (г. Киев). Промышленное производство нового литейного полистирола было организовано на химическом комбинате в г. Шевченко (Казахстан).
Применение специальных марок полистирола для изготовления моделей значительно улучшило их качество, однако не исключило причины образования специфических дефектов на поверхности отливок из чугуна в виде раковин, заполненных коксовым остатком.
Поэтому многие фирмы продолжали работы по созданию новых полимерных материалов для моделей и улучшению уже существующих марок литейного полистирола. В Японии был получен материал для моделей, который представлял собой сополимер циклопентаноксида, циклогексаноксида и циклогептаноксида или
Изобутиленоксида при взаимодействии с CO2. Структурная формула нового материала имеет следующее строение:
Где п — 3, 4 или 5.
CH3 I
CH2-C-OH CHi
Сополимер на основе изобутиленоксида имеет структуру:
В обеих формулах * = 30(Н350, молекулярная масса поликарбонатов 30 000-50 ООО. Температура стеклования 125 0C5 начала деполимеризации 280 0C. Содержание порообразователя в гранулах поликарбонатов (н-пентана) 7 %. Гранулы вспенивались в атмосфере пара при нормальном давлении до объемной массы 0,03 г/см3. При повторном вспенивании их объемная масса уменьшалась до 0,016 г/см. Промышленное испытание нового материала при производстве отливок из чугуна показало отсутствие на их поверхности следов коксового остатка.
В [9] сообщается о применении для моделей пенополипропиле — на, который был опробован при получении отливок из стали. Результаты исследования качества отливок показали значительное снижение дефектов, связанных с остатками неполной газификации материала модели. Новый материал был рекомендован для производства отливок из чугуна и стали.
CH-CH-OH
\ /
(CH2)tt
Особый интерес у производителей отливок вызвало сообщение фирмы «Dow Chemical» (США), сделанное в 1986 г., о разработке нового материала для моделей на основе полиметилметакрилата (PMMA) [10]. Работа была выполнена по заданию фирмы «Auto Alloys Foundries». Испытание нового материала проводила фирма «General Motors». Сравнительные испытания PMMA при различных скоростях нагрева до температуры 1400 0C представлены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Сравнительные результаты испытания материалов
Наименование модельного материала и условия эксперимента |
Остаток по массе при скорости нагрева, % |
|
1 °С/с |
700 °С/с |
|
Пенополистирол |
6,2 |
15,1 |
Сополимер стирола с акрилонитридом |
9,8 |
11,55 |
Полиметилметакрилат (PMMA) |
0,3 |
18 |
Выдержка при температуре в процессе |
6,7 |
18 |
Опыта, с |
||
Атмосфера при опыте |
Воздух |
Азот |
Из данных, приведенных в табл. 2.2, следует, что PMMA обладает высокой скоростью газификации при минимальном кокосовом остатке, который в 20 раз меньше, чем у литейного полистирола. Такие свойства нового материала вытекают из строения его структуры:
Наличие в структуре связанного кислорода и отсутствие тяжелых радикалов способствуют быстрому протеканию процесса высокотемпературной окислительной термодеструкции PMMA с выделением главным образом газов при незначительном количестве свободного углерода. Это было подтверждено натурными испытаниями при получении отливок из углеродистой стали. При объемной плотности модели 20-27 кг/м3 объемное науглероживание стальной отливки не превышало 0,05 %, в то время как при литье по моделям из пенополистирола объемное науглероживание достигало 0,3 %. Вспенивающий агент (углеводородное соединение) имеет меньшую подвижность, чем пентан, и не выделяется из гранул так быстро, как пентан из пенополистирола, что увеличивает сроки хранения и уменьшает усадку моделей после их изготовления. Усадка моделей из PMMA составляет 0,2-0,4 %, из пенополистирола 0,7-1,0 %. Исходный материал может храниться до 6 месяцев без существенной потери вспенивающего агента в гранулах.
После вспенивания гранулы могут храниться в нормальных условиях несколько дней до их применения для изготовления моделей. Температура стеклования PMMA на 5 0C выше, чем у полистирола, поэтому вспенивание гранул необходимо производить при более высокой температуре. Однако PMMA имеет существенные недостатки: модели из него отличаются низкой механической прочностью и легко деформируются под нагрузкой, поэтому плотность моделей необходимо повышать в 2-3 раза, а это приводит к увеличению объема выделения газов, а также свободного углерода. Высокая скорость термодеструкции моделей из PMMA при производстве отливок из черных металлов затрудняет применение форм из кварцевого сухого песка, т. к. при заливке формы металлом обра — ^ зуется значительный зазор между расплавом и моделью, что при — \j водит к обвалу формы. Поэтому форма и покрытие должны иметь высокую газопроницаемость для предотвращения выброса металла Jf; из формы во время ее заливки. Необходимо применять сифонный подвод металла, повышенный гидростатический напор металла Ik1 при его заливке в форму и вакуум. Следует также учитывать, что ‘iff стоимость PMMA в 8-10 раз выше стоимости литейного пенополи — Ш, стирола. В результате по вышеуказанным причинам новый мате — риал еще не получил широкого применения для производства мо — делей. Однако, по данным фирмы «Saplest» (Франция), добавление {t в небольших количествах PMMA в литейный пенополистирол су — ^tlii щественно улучшает термодеструкционные свойства моделей и приводит к улучшению качества отливок из чугуна. Работы в этом направлении привели к разработке и поставке новых материалов для изготовления моделей. J1 Китайская фирма «Castchem LTD, Mrs. Ling Hung» поставляет для изготовления моделей сополимер Cast Pro™, состоящий из полиметилметакрилата (70 %) и полистирола (30 %). Основные свойства данного материала приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Физико-механические свойства сополимера CastPro
Марка, сополимера |
Зернистость, MM |
Количество Вспенивателя, % |
Рекомендуемая плотность, г/л |
Количество смазки, % |
СР2 |
0,466-0,605 |
8,0-9,5 |
20-23 |
0,32 |
СРЗ |
0,358-0,466 |
8,5-9,5 |
21-25 |
0,32 |
СР4 |
0,284-0,358 |
9,5-10 |
23-28 |
0,32 |
По данным фирмы, материал рекомендуется для производства отливок из чугуна и всех марок стали. Он значительно снижает затраты на производство отливок и повышает их качество. При его применении происходит реальное снижение дефектов, обусловленных углеродом, и улучшается качество поверхности отливок. Материал поставляется в металлических бочках в полиэтиленовой упаковке по 125 кг. Срок годности материала 6 месяцев при температуре хранения не выше 10 0C.
Японская фирма «ISP Corporation» поставляет на рынок для изготовления моделей сополимер двух марок: Cleapor CL500A и Cleapor CL600A, содержащий 70 % полиметилметакрилата и 30 % полистирола. Гранулометрический состав 0,5-0,4 мм. Рекомендуемая плотность моделей 22-28 кг/м3. Основное назначение — для применения моделей при производстве отливок из чугуна и стали с целью значительного снижения влияния углерода термодеструкции модели на качество отливок. Материал поставляется в металлических бочках по 125 кг. По своим технологическим и физическим параметрам мало чем отличается от Cast Pro, поставляемого китайской фирмой.
Фирмой «Foseco» разработан новый материал для изготовления моделей — сополимер марки НМС-30, который является химической смесью мономеров (70 % полистирола и 30 % полиметилметакрилата), заключенных в одной грануле. По данным фирмы, он имеет формовочные характеристики, близкие пенополистиролу, хорошие механические свойства, обеспечивает чистую поверхность отливок, снижает и устраняет в большинстве случаев углеродистые дефекты на отливках из чугуна и стали, имеет значительный срок хранения как в необработанном, так и во вспененном состоянии. Рекомендуемая плотность моделей — 24 кг/м. Материал поставляется в гранулах размером 0,35-0,5 мм. Усадка моделей из НМС-30 составляет 0,35-0,45 %. Содержание вспенивающего агента в пределах 6,5-8,5 %. В отличие от пенополистирола для вспенивания необходима более высокая температура, время выдержки после вспенивания для активизации гранул должно быть не менее 24 ч, время охлаждения моделей после их изготовления и стабилизации размеров увеличивается на 10-20% по сравнению с пенополистиролом. При производстве стальных отливок рекомендуется сифонный подвод металла к модели. Предварительные результаты, представленные фирмой, дают основание предположить, что данный материал обеспечивает лучшее качество отливок из чугуна и стали и должен заменить пенополистирол.
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