В серийном производстве модели изготавливаются из вспененного полистирола в две стадии. На первой стадии гранулы исходного полистирола вспениваются до заданной насыпной массы и выдерживаются в течение определенного времени для созревания. На второй стадии осуществляется нагрев вспененных гранул в замкнутом объеме пресс-формы, в результате которого происходит формирование модели с заданными технологическими и механическими свойствами. Однако как первая, так и вторая стадия технологического процесса изготовления модели включает в себя целый ряд операций, каждая из которых оказывает существенное влияние на формирование модели надлежащего качества. Весь технологический процесс изготовления моделей можно разделить на два этапа: предварительная переработка суспензионного полистирола и изготовление моделей в пресс-формах.
2.3.1. Предварительная переработка суспензионного
Полистирола
Предварительная переработка гранул полистирола для вспенивания является важной составной частью технологического процесса изготовления моделей и включает следующие операции: классификация гранулометрического состава, вспенивание гранул, сушка и активизация вспененных гранул. Каждая из этих операций существенно влияет на получение моделей с заданными эксплуатационными свойствами. Качество моделей зависит от первичных (молекулярной массы, количества порообразователя и остаточного стирола, наличия влаги и размера гранул) и вторичных (размера вспененных гранул, их активности, слипаемости, влажности) свойств вспененных гранул.
С одной стороны, модель должна иметь необходимую технологическую прочность, чтобы при выполнении операций транспортировки, сборки моделей, покраски модельных блоков, их сушки и формовки не происходило нарушение геометрических параметров модели. С другой — при заливке формы металлом модель не должна существенно влиять на заполняемость формы, при этом должно выделяться минимальное количество продуктов термодеструкции полистирола, которые оказывают влияние не только на формирование отливки, но и на окружающую среду.
В первом случае модель должна иметь повышенную объемную массу, во втором — минимально допустимую. Получение моделей с заданной, технологически необходимой объемной массой и является главной задачей их производства. Многочисленными исследованиями и практикой установлено, что при вспенивании гранул полистирола различных партий одного и того же производителя при одинаковых режимах можно получать модели из пенополистирола с объемной массой, величина которой колеблется в значительных пределах.
Поэтому необходимо контролировать свойства исходного полистирола и экспериментально определять технологические параметры первичной его переработки для получения качественных моделей. Гранулометрический состав исходного полистирола определяется в зависимости от толщины стенки модели, т. к. вспененные гранулы должны не только заполнить полость пресс-формы, но и обеспечить необходимую объемную массу и качество ее поверхности. В табл. 2.9 представлены рекомендации различных зарубежных фирм по выбору размера исходных гранул полистирола в зависимости от толщины стенки модели [6].
Из приведенных данных в табл. 2.9 следует, что отечественный полистирол марок ПСВ-JI и ПСВ-ГМ409, а также строительные марки полистирола необходимо дополнительно просеивать на ситах для выполнения указанных рекомендаций (см. табл. 2.5-2.7), и только полистирол марок ПСВ-ГМ406 и ПСВ-ГМ404 соответствует рекомендациям и может применяться без дополнительного рассеивания.
Таблица 2.9
Рекомендуемый размер исходных гранул
|
Толщина стенки модели, мм
|
Размер гранул, мм
|
Объемная масса модели, кг/м3
|
|
Более 14
|
1,2-1,8
|
13-30
|
|
10-14
|
1,1-1,3
|
15—40
|
|
8-10
|
0,7-0,9
|
17-40
|
|
6-8
|
0,3-0,7
|
17-40
|
|
4-6
|
0,2-0,5
|
22-44
|
Вспенивание гранул полистирола можно производить различными способами: в горячей воде, паровой ванне, потоке пара, потоке горячего воздуха и электромагнитном поле высокой частоты.
Вспенивание в горячей воде осуществляется при температуре 95-100 0C. Гранулы полистирола засыпаются тонким слоем в короб, который закрывается крышкой. Днище короба и крышка выполнены из капроновой ткани или медной сетки. Короб с гранулами погружается в кипящую воду на такую глубину, чтобы верх короба был перекрыт кипящей водой. После выдержки в воде в течение заданного времени короб извлекается и помещается в сушило, температура в котором 25-30 0C. Сушку можно производить и на противнях при комнатной температуре. Съем вспененного полистирола с 1 м2 поверхности водяной ванны составляет 0,5- 1,0 кг/ч. Процесс вспенивания в водяной ванне отличается стабильностью, т. к. поддерживать заданную температуру воды сравнительно легко. Однако в связи с низкой производительностью процесса вспенивания в водяной ванне, высокой остаточной влажностью гранул (до 250 %) и комкованием (слипанием) в процессе вспенивания данная технология не получила промышленного применения. Зависимость насыпной массы вспененного полистирола от времени его выдержки в кипящей воде представлена на рис. 2.7.
Вода 100 0C
1 —фр. 0,5-1,0 мм
2 —фр. 1,0-1,6 мм
Vg 0,07 г
§ 0,03 –
О
^ 0,06 –
1
4 — фр. 2,5-5,0 мм
5 — без рассева
О
Я 0,02 –
0,01 -2
3
3 —фр. 1,6-2,5 мм
0 4 8 12 16 20
Время вспенивания, мин
Рис. 2.7. Зависимость насыпной массы гранул полистирола от продолжительности вспенивания в кипящей воде
Вспенивание паром гранул полистирола производится при температуре 95-105 0C тремя способами: статическим, кинетическим и динамическим. При статическом способе исходные гранулы равномерным слоем засыпаются в противень с днищем из капроновой или медной сетки, который помещается в бак над кипящей водой. Бак закрывается крышкой, вследствие чего температура пара над кипящей водой стабилизируется в пределах 96-98 0C. Противень выдерживается в паровой ванне заданное время, которое исчисляется после закрытия ванны крышкой. Вспенивание гранул в паровой ванне требует большего времени, чем в кипящей воде, но за счет значительного сокращения времени сушки общий цикл переработки полистирола значительно сокращается. Статическое вспенивание паром гранул полистирола можно производить в автоклаве. В этом случае противень с гранулами помещают в автоклав, после закрытия которого в него подается пар при температуре 100-105 0C. После заданного времени выдержки, исчисление которого начинается после закрытия автоклава и подачи в него пара, противень извлекается. Вспенивание гранул полистирола в автоклаве позволяет получить вспененные гранулы с низкой влажностью и значительно сократить время сушки. Однако вспенивание в автоклаве применяется крайне редко из-за сложности обслуживания автоклава.
Кинетическое вспенивание гранул полистирола осуществляется несколькими способами. Одним из них является способ вспенивания гранул во встречном потоке гранул и пара, при котором по трубопроводу инжектируются воздухом гранулы полистирола и подается пар под давлением по ходу движения гранул. Нагрев гранул и их вспенивание происходят в совместном движении паровоздушной среды и гранул полистирола. Производительность такой установки зависит от взаимной скорости перемещения паровоздушного потока и гранул [11].
При кинетическом способе вспенивание гранул осуществляется в лопастных и шнековых мешалках, в камеру которых подаются непрерывно или дискретно гранулы полистирола и острый пар при давлении 50-180 кПа. На вспенивание 1 кг гранул полистирола необходимо обеспечить расход не менее 0,3-0,5 кг пара. По мере вспенивания гранулы перемещаются лопастями мешалки или шнеком к разгрузочному окну. Насыпная масса пенополистирола регулируется или положением разгрузочного окна, или скоростью перемещения гранул в процессе вспенивания. Установки, работающие по такому принципу, имеют высокую производительность и применяются в цехах средней и большой мощности. В современных автоматических установках вспенивание гранул полистирола и последующая их сушка происходят в одном агрегате, что значительно сокращает общий цикл подготовки пенополистирола.
Динамический способ вспенивания гранул полистирола основан на непрерывном течении пара через неподвижный объем гранул при атмосферном давлении с удалением отработанного пара. При таком процессе поверхность гранул освобождается от конденсата, который затрудняет теплообмен между паром и гранулами; кроме того, отсутствие избыточного давления в камере способствует свободному расширению гранул, что позволяет получать модели с минимальной объемной массой (рис. 2.8) [12].
Время вспенивания, с
Рис. 2.8. Зависимость насыпной массы гранул полистирола при динамическом способе вспенивания паром при температуре: 1 — 135 0C; 2 — 120 0C; 3 — 105 0C; пунктиром показана зависимость при статическом вспенивании в паровой ванне
Предварительное вспенивание гранул полистирола можно производить в потоке горячего воздуха при температуре 100-110 0C, однако цикл вспенивания при таком процессе более длителен, чем в водяной ванне или паром, ввиду низкого коэффициента теплообмена [11].
Разработан способ вспенивания гранул полистирола в электромагнитном поле высокой частоты (ТВЧ), при котором гранулы предварительно смачиваются водой, содержащей электролит. Преимущество способов вспенивания в потоке горячего воздуха и ТВЧ по сравнению с другими состоит в том, что после вспенивания не требуется последующая сушка [11].
Все вышеприведенные способы вспенивания гранул полистирола не всегда обеспечивают требуемое качество моделей. Для получения гранул необходимой насыпной массы используются различные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их вспенивания. По данным [14, 15], для получения качественных моделей регламентируется их объемная плотность в пределах 16— 24 кг/м3. Для получения моделей с такой плотностью используются два способа вспенивания. По первому способу вспенивание производится паром в вакууме, что обеспечивает снижение насыпной плотности гранул до 16-20 кг/м3. Модели из таких гранул применяют для получения отливок из стали, ковкого и серого чугунов. При втором способе в процессе вспенивания используется повышенное давление, создаваемое сжатым воздухом, что позволяет получать гранулы пенополистирола с насыпной плотностью 20- 21 кг/м3. Модели из такого пенополистирола рекомендуется применять для получения отливок из алюминиевых сплавов и чугуна.
После вспенивания гранулы полистирола подвергаются сушке и активации. Сушка осуществляется или в потоке теплого воздуха при температуре 25-30 0C, или стационарно при нормальной температуре под вытяжным зонтом. Процесс активации гранул связан с изменением агрегатного состояния порообразователя и диффузионными процессами, протекающими в объеме гранул после их вспенивания. При охлаждении гранул порообразователь конденсируется, вследствие чего в порах гранул образуется вакуум, который заполняется воздухом; в результате возрастает способность гранул к повторному расширению, которое обеспечивает их спекание при повторном нагреве в замкнутом объеме пресс-формы. Процесс активации гранул протекает во времени при взаимной диффузии воздуха вовнутрь гранул и паров порообразователя из гранул. Первоначально процесс диффузии воздуха превалирует над процессом обратной диффузии порообразователя из гранул, однако по мере заполнения вакуума эти процессы сначала взаимно уравновешиваются, а затем начинает превалировать процесс диффузии порообразователя. Процесс активации гранул продолжается от 2 до 12 ч, после чего в течение 12 ч пенополистирол сохраняет свою активность, а затем она начинает падать. Исследования и практика показывают, что хранение пенополистирола более 24 ч снижает его активность и делает непригодным для получения качественных моделей. Для уменьшения потерь порообразователя применяют вещества с большой молекулярной массой, такие как изопентан (CH3)2CH CH2CH3 с молекулярной массой 72,5 и пентан CH3(CH2)3CH3 с молекулярной массой 72,15.
Для активации гранул с целью получения моделей с низкой плотностью и качественной поверхностью применяются различные способы внешнего воздействия на гранулы в процессе их выдержки. Для уменьшения насыпной массы гранул применяют повторное вспенивание их после активации, что позволяет получать модели с объемной плотностью 14-16 кг/м. В [16] предлагается предварительно вспенивать гранулы до минимальной насыпной массы 12-14 кг/м3, а затем, после активации, подвергать их обжатию в резиновых вальцах до сокращения первоначального объема на 20 %. При изготовлении моделей из таких гранул в пресс – формах время их спекания сокращается в 2 раза, улучшается плотность модели и качество ее поверхности. Данный способ активации гранул был практически осуществлен для изготовления крупных моделей при использовании исходной фракции полистирола от 1,0-1,5 до 2,5-3,0 мм.
2.3.2. Технология изготовления моделей
Производство моделей основано на процессе вторичной тепловой обработки гранул в замкнутом объеме пресс-формы. Технологический процесс изготовления моделей состоит из следующих операций: подготовка гранул пенополистирола, подготовка пресс – формы, заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола, тепловая обработка пресс-формы, охлаждение пресс-формы, извлечение модели из пресс-формы, сушка модели, выдержка модели после сушки и контроль качества модели. Существенным недостатком вспененных гранул полистирола является их склонность к комкованию, которое происходит из-за химического (слипание) или электрического взаимодействия между гранулами. Оба эти фактора затрудняют нормальное заполнение пресс-формы гранулами. Слипание гранул может происходить по двум причинам: высокое содержание свободного стирола в полимере или недостаточная промывка водой гранул полистирола после его полимеризации. Обе эти причины являются результатом нарушения технологического процесса производства полистирола. Для устранения слипаемости гранул в процессе вспенивания они обрабатываются 0,02-0,2% раствором поверхностно-активного вещества, например стеарата кальция или цинка, в воде [11].
Возникновение электрических зарядов на поверхности гранул обусловлено различными внешними факторами, которые сопутствуют технологическому процессу изготовления моделей. Главной причиной является трение гранул между собой и о стенки трубопроводов, в бункерах их хранения, при сушке гранул, рассеивании и других видах транспортировки. В табл. 2.10 представлена зависимость электролизации гранул от скорости их перемещения и высоты падения. Значительное влияние на электролизацию гранул из полистирола оказывает материал трубопроводов, по которым транспортируются гранулы, что видно из результатов исследования, приведенных в табл. 2.11.
Таблица 2.10
Электролизация гранул полистирола при движении
|
Диаметр гранул, MM
|
Усредненное значение потенциала датчика, кВ
|
|
Высота падения, мм
|
Скорость движения, см/с
|
|
250
|
500
|
70
|
90
|
|
3,0
|
3,6
|
4,0
|
1,2
|
2,9
|
|
4,0
|
2,7
|
3,0
|
1,0
|
2,9
|
|
5,0
|
1,4
|
1,5
|
0,6
|
1,6
|
Таблица 2.11
Влияние материала трубопровода на электролизацию гранул из полистирола
|
Размер гранул, мм
|
Усредненное значение потенциала датчика, кВ
|
|
Поливинилхлорид
|
Медь
|
|
0,5
|
7,7
|
6,515
|
|
0,5-1,0
|
6,9
|
3,15
|
|
1,0-1,5
|
6,8
|
2,52
|
При исследовании зависимости характера электролизации гранул полистирола от диэлектрических свойств контактирующих материалов было установлено, что контакт с полистиролом и поливинилхлоридом способствует образованию положительного заряда на поверхности гранул, а с медью, стеклом, алюминиевыми сплавами — отрицательного [11].
Учитывая способность гранул полистирола к накоплению статического электричества, необходимо принимать специальные меры техники безопасности, которые заключаются в использовании токопроводящих систем транспорта и хранения полистирола при их надежном заземлении. После вспенивания и сушки гранул пенополистирола их следует обрабатывать антистатиком для снижения статического заряда электричества и улучшения заполняемо – сти пресс-форм.
Для предотвращения адгезии пенополистирола к стенкам пресс – формы их необходимо периодически смазывать разделительным составом, например водной эмульсией мыла и талька следующего состава: на 1 л воды по 25 г талька и хозяйственного мыла. Применение в качестве разделительного покрытия кремнийорганиче – ской жидкости позволяет многократно использовать пресс-формы для изготовления модели.
Заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола является операцией, влияющей непосредственно на качество модели. Пресс-формы заполняются гранулами путем эжектирования их сжатым воздухом при помощи специального устройства или ручным пистолетом-эжектором. На процесс заполнения пресс-формы гранулами оказывают влияние давление воздуха, подводимого к эжектору, и наличие отверстий (вент) в пресс-форме или щели по ее разъему для выхода отработанного воздуха. Для удаления воздуха из пресс-формы в ее стенках устанавливаются венты или делаются отверстия диаметром 0,5-1,0 мм. На модельных автоматах кроме перфорации пресс-формы применяется ее вакуумирование при заполнении пресс-формы гранулами. Под действием сжатого воздуха происходит деформация гранул в пресс-форме за счет сил фильтрации, величина которых пропорциональна разности давлений на входе и выходе воздуха из пресс-формы. Обычно давление воздуха, подаваемого к задувному устройству, составляет 0,3- 0,5 МПа, но при этом необходимо учитывать, что чем выше давление воздуха, тем плотнее получаются модели при одной и той же насыпной плотности гранул пенополистирола.
Активность гранул или их способность к максимальному расширению при повторном нагреве в пресс-форме имеет решающее влияние на качество модели при равных условиях заполнения пресс-формы и термовременных режимов ее обработки. Активность гранул можно определить по формуле
A=I – Ьыа_9 Y
Где Ymin — минимальная объемная плотность вспененного полистирола, кг/м2; у — расчетная объемная плотность модели, кг/м2.
При равенстве минимальной и расчетной плотностей А = 0, и получить качественную модель в таком случае не представляется возможным.
В зависимости от теплоносителя и его воздействия на процесс спекания гранул пенополистирола в пресс-форме различают следующие способы производства моделей: ванный, автоклавный, внешний тепловой удар, внутренний тепловой удар, ТВЧ и комбинированные.
Ванный способ изготовления моделей отличается простотой, не требует сложного оборудования, и поэтому он получил применение на ранней стадии получения моделей и освоения ЛГМ. При данном способе пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, погружается в водяную ванну при температуре 100 0C и выдерживается в ней определенное время, в течение которого происходит спекание модели. Для повышения температуры воды в ванне в нее добавляют водорастворимые соли. Многочисленные исследования ванного способа изготовления моделей показали, что получить модель удовлетворительного качества данным способом можно только при высокой активности гранул, т. е. с увеличенной объемной плотностью в пределах 30-40 кг/м3. Это объясняется особенностями тепломассопереноса в системе вода—пресс – форма—модель и пластическими свойствами полистирола. При ванном способе передача тепла от воды к пенополистиролу осуществляется через стенки пресс-формы за счет теплопроводности. При нагревании пресс-формы первоначально формируется поверхностный слой модели, который в силу низкой теплопроводности пенополистирола препятствует нагреву внутренних слоев модели, температура которых находится в пределах 75-85 0C, т. е. является близкой к стеклованию полистирола. Максимальная деформация полистирола в области пластического состояния находится в интервале температур 120-135 0C. При температуре 100 0C величина пластической деформации составляет 20-30 % от максимальной.
Зависимость деформации полистирола от температуры представлена на рис. 2.9.
Температура, 0C
Рис. 2.9. Деформация полистирола в зависимости от температуры
Время выдержки пресс-формы в кипящей воде при ванном способе изготовления моделей можно определить по формуле [6]
Где 8 — половина толщины стенки модели, мм; а — коэффициент температуропроводности, м2/ч.
При добавлении солей кальция температуру кипения воды можно поднять до 110 0C. Это дает возможность получать модели с качественной поверхностью объемной плотностью 20-25 кг/м^, однако при толщине стенки модели более 20 мм гранулы в средних слоях ее остаются слабо спеченными и образуют рыхлую структуру, что существенно снижает механические свойства модели. Существенным недостатком ванного способа изготовления моделей является их высокая влажность после извлечения из пресс – формы (до 20 %). Поэтому модели, получаемые данным способом, должны проходить длительную сушку.
При автоклавном способе изготовления модели пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в автоклав, в который подается острый пар при температуре 110-120 0C под давлением 0,13-0,145 МПа. Для получения качественных моделей необходимо обеспечить постоянную подачу 1,0 кг пара в минуту. На 1 кг модели расходуется от 4 до 40 кг пара в зависимости от толщины стенок модели. Пресс-форма выдерживается в автоклаве необходимое время для спекания модели, после чего пар стравливается из автоклава, и пресс-форма извлекается. Затем пресс-форма охлаждается в воде при температуре 15-20 0C, и модель извлекается. В автоклаве процесс теплообмена осуществляется как за счет проникновения перегретого пара внутрь пресс-формы через венты, установленные в ее стенках, так и за счет теплопроводности через стенки пресс-формы. Для качественного спекания модели необходимо, чтобы площадь отверстий вент составляла не менее 2 % от рабочей поверхности пресс-формы. Наличие конвективного и стационарного процессов теплопередачи к гранулам пенополистирола и высокой температуры теплоносителя в автоклаве обеспечивает получение моделей высокого качества при объемной массе 18-22 кг/м3. Продолжительность цикла изготовления модели в автоклаве определяется экспериментально для каждой партии полистирола в зависимости от толщины стенки модели, конструкции пресс-формы, температуры и давления пара. На рис. 2.10 представлена зависимость продолжительности спекания моделей от давления пара и толщины стенок модели в медицинском автоклаве при расходе пара менее 0,2 кг/мин. При увеличении расхода пара до 1 кг/мин время спекания моделей снижается более чем в 10 раз при значительном улучшении качества.
При толщине стенок модели менее 10 мм пресс-форма может не иметь перфорации. Процесс спекания модели в этом случае осуществляется за счет передачи тепла через стенки пресс-формы, т. е. теплопроводности. Воздух при заполнении пресс-формы гранулами выводится через ее разъем.
Время цикла изготовления модели автоклавным способом tu (с) определяется суммарным временем подготовительных и рабочих операций:
Tn = h + t2 + h + U + h + h +
Где tX-i — соответственно время сборки пресс-формы, заполнения пресс-формы гранулами, загрузки пресс-формы в автоклав, спекания модели в автоклаве, извлечения пресс-формы из автоклава, охлаждения пресс-формы, разборки пресс-формы и извлечения модели.
Наиболее продолжительными операциями изготовления моделей автоклавным способом являются операции спекания модели и охлаждения пресс-формы. Если время спекания модели в автоклаве определяется экспериментально, то время охлаждения пресс-формы т (мин) можно определить по формуле [6]
Рис. 2.10. Оптимальные режимы изготовления моделей автоклавным способом из ПСВ-Л фракции 1-1,6 мм в зависимости от толщины стенки: / — 10 мм; 2 — 20 мм; 3 — 40 мм ; 4 — 80 мм
T, мин
Автоклавный способ формирования модели позволяет использовать пресс-формы с необходимым количеством разъемов и отъемных частей для получения сложных по конфигурации моделей в одной пресс-форме. Он позволяет получать качественные модели с толщиной стенок до 40 мм и более при объемной плотности 18- 25 кг/м3. Однако все вспомогательные операции при данном способе выполняются вручную, поэтому данная технология изготовления моделей применяется в мелкосерийном и серийном производствах отливок ЛГМ.
Где 8 — приведенная толщина стенки модели, мм.
Способ внутреннего теплового удара заключается в подаче перегретого пара под давлением 0,2-0,25 МПа через инжектор во внутреннюю полость пресс-формы, предварительно заполненную гранулами пенополистирола (рис. 2.11). Формирование модели происходит в результате фильтрации перегретого пара через поры между гранулами в пресс-форме, при которой пар, расширяясь, передает свое тепло гранулам, частично конденсируясь на их поверхности. Расширение гранул происходит наиболее интенсивно в районе инжектора и постепенно затухает у стенок пресс-формы, в результате образующийся конденсат оттесняется вспененными гранулами к периферии и удаляется через отверстия (венты) в стенках пресс-формы.
Мм
Рис. 2.11. Изготовление моделей внутренним тепловым ударом: / — нижняя часть пресс-формы; 2 — верхняя часть пресс-формы; 3 — инжектор
Такой процесс вспенивания приводит к неоднородности объемной плотности по сечению модели, что иллюстрируется на рис. 2.11. Процесс внутреннего теплового удара саморегулируемый. По мере расширения и спекания гранул пенополистирола прекращаются процессы как выхода пара через отверстия в стенках пресс-формы, так и процессы поступления, что говорит об окончании процесса спекания модели. Важной операцией технологического процесса изготовления моделей тепловым ударом является охлаждение пресс-формы по окончании изготовления модели. Преждевременное извлечение модели из пресс-формы может привести к ее разрушению за счет внутренних напряжений, которые образуются в процесс расширения гранул полистирола при нагревании. Время охлаждения пресс-формы в воде при температуре 15-20 0C можно определить по формуле
R2
«м
Где R — приведенная толщина стенки модели, мм; ам — температуропроводность пенополистирола, м2/ч.
Инжектор представляет собой трубку диаметром 10-20 мм, в стенках которой имеются отверстия диаметром 1-2 мм, суммарная площадь которых равна площади сечения инжектора. Стенки пресс-формы перфорированы за счет установки вент или сверления отверстий диаметром 0,5-1,5 мм с шагом 20-25 мм, причем суммарная площадь сечений входных отверстий должна соответствовать площади выходных отверстий. Расположение отверстий в стенках пресс-формы должно обеспечить равномерное распределение пара по всему объему пресс-формы. Зона действия пара от инжектора описывается радиусом около 100 мм. Процесс изготовления моделей внутренним тепловым ударом скоротечен, он просто механизируется и автоматизируется, поэтому его успешно можно применять как при мелкосерийном, так и при серийном производстве для получения моделей с толщиной стенок более 40 мм. Данный способ стал основным при изготовлении шаровых прибылей (рис. 2.12) для питания отливок из стали, высокопрочного чугуна.
Рис. 2.12,. Модели шаровых прибылей
Внешним тепловым ударом: 1 — подача пара, воды, воздуха; 2 — отверстие для заполнения пресс-формы гранулами пенополистирола; 3 — камера; 4 — выход пара, воды и воздуха; 5 — венты; б — водяные форсунки; 7 — модель из пенополистирола
При внешнем тепловом ударе пресс-форма окружена рубашкой, которая образует камеру (рис. 2.13), куда подается острый пар при скорости 1 кг/мин под давлением 0,2-0,35 МПа при температуре 110-1120 0C.
Из паровой камеры пар поступает через венты в пресс-форму, которая предварительно заполняется гранулами вспененного полистирола. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло гранулам пенополистирола, в результате чего происходят его расширение и формирование модели. Существует несколько вариантов применения данного способа для изготовления моделей, один из которых представлен на рис. 2,14 [17].
Рис. 2.14. Последовательность технологических операций при
Изготовлении моделей внешним тепловым ударом: 1 — подача пара; 2 — выход отработанного пара; 3 — подача воздуха в задувное устройство; 4 — подача гранул в задувное устройство; 5 — подача воды; б — выход воды; 7 — подача воздуха; 8 — толкатель; 9 — вторая камера; 10 — первая камера
Перед заполнением пресс-формы гранулами она предварительно прогревается паром до 100 0C (рис. 2.14, а). После прогрева пресс-форма выдерживается для выхода конденсата и высыхания. Затем пресс-форма смыкается, и происходит заполнение ее гранулами через задувные устройства, количество которых зависит от размеров модели. Потом сначала в одну полость пресс-формы, а затем в другую подается пар под давлением ОД МПа (рис. 2.14, б) в течение 10 с, и происходит предварительное спекание модели. Затем пар подается в обе камеры пресс-формы, наступает автоклавный режим ее работы, который продолжается не более IOc при давлении пара 0,35 МПа, и происходит окончательное спекание модели (рис. 2.14, в). В этот период стенки пресс-формы прогреваются до 110-120 0C. После автоклавного цикла и снятия давления пара стенки пресс-формы интенсивно охлаждаются водяным обрызгиванием до температуры 40-50 0C (рис. 2.14, г). Затем пресс-форма продувается воздухом для удаления воды (рис. 2.14, с)), она раскрывается (рис. 2.14, е), и модель под действием давления воздуха извлекается из пресс-формы. Продолжительность операций и их последовательность контролируются по давлению пара и температуре в различных частях пресс-формы. Время цикла изготовления модели на специализированном оборудовании не превышает 90-120 с. Для получения качественных моделей внешним тепловым ударом необходимо применять сухой пар, в противном случае модель будет содержать повышенный процент влаги, что увеличивает время ее последующей сушки и усадки.
Технологический процесс изготовления моделей внешним тепловым ударом обеспечивает их высокое качество при объемной плотности от 16 кг/м3 . На основе данного способа создано высокопроизводительное автоматическое оборудование, вследствие чего стало возможным использовать технологию ЛГМ в крупносерийном и массовом производстве отливок из черных и цветных сплавов взамен традиционных методов литья.
При изготовлении моделей в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ) пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в поле высокочастотного конденсата, степень нагрева гранул в котором зависит от диэлектрической проницаемости материала. Энергия переменного электрического поля вследствие диэлектрических потерь превращается в тепловую. Пенопо – листирол имеет низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь tg8, который равен 0,0001, поэтому нагрева сухих гранул в поле высокой частоты практически не происходит. Для повышения величины диэлектрических потерь производится предварительная обработка гранул электролитом, в качестве которого используется вода с добавлением 4-8 г/л поверхностно-активного вещества для равномерного распределения влаги по поверхности гранул. Тонкий слой воды или водного раствора под воздействием ТВЧ нагревается и передает свое тепло гранулам, в результате происходят их расширение и спекание по всему объему пресс – формы, что позволяет получить модели с равномерной плотностью. В отличие от других способов, при формировании моделей в электрическом поле высокой частоты образуется незначительное количество конденсата, и модели получаются практически сухими. Для получения качественных моделей необходимо пресс-форму изготавливать из материалов с низким значением тангенса диэлектрических потерь и коэффициентом теплопроводности. При высокочастотном нагреве напряженность поля на отдельных участках сложной по конфигурации модели будет неодинаковой, что приводит к получению моделей с различной объемной плотностью. Для получения моделей с однородной и плотной структурой необходимо выравнивать напряженность магнитного поля, регулируя зазор между пластинами высокочастотного конденсатора и стенками пресс-формы, или применять конденсаторы с фигурными пластинами. Для высокочастотного нагрева могут использоваться установки с мощностью лампового генератора от 5 до 40 кВт и частотой от 5 до 30 МГц при напряженности поля от 500 до 1000 В/см. Продолжительность цикла формирования модели в поле ТВЧ составляет 10-60 с и зависит от размера модели, материала пресс-формы и подготовки гранул пенополистирола [6]. Несмотря на простоту процесса изготовления моделей ТВЧ, он не нашел должного применения, т. к. для получения моделей сложной конфигурации весьма трудно создать равномерно напряженное электрическое поле. Кроме этого, данный способ изготовления моделей является энергоемким.
2.3.3. Сборка моделей
ЛГМ в серийном и массовом производствах применяется для получения отливок III-V классов сложности, которые характеризуются наличием плоских криволинейных наружных поверхностей, бабышек, фланцев с отверстиями, углублениями сложной конфигурации, внутренними полостями закрытого или полузакрытого типа с криволинейными поверхностями. Традиционными методами литья такие сложные отливки получают с применением одного или нескольких стержней. Получить цельную модель из пенополистирола для производства таких отливок на модельных автоматах, имеющих, как правило, один разъем, не представляется возможным. Поэтому сложные модели изготавливают из нескольких частей в пресс-формах с одним разъемом, а затем из них собирают цельную модель при помощи клея или сварки в кондукторе. В массовом производстве, когда это экономически целесообразно, применяются специальные модельные автоматы, обеспечивающие разъем модели в двух и более плоскостях.
Наиболее распространенный способ сборки моделей состоит из соединения ее частей при помощи клея, к которому предъявляются следующие требования: клей не должен растворять пенополисти – рол, при нанесении тонкого слоя на разъем модели он должен обеспечивать прочное соединение, сравнительно быстро затвердевать и не оставлять коксового остатка после термодеструкции пенополистирола. Клеи для пенополистироловых моделей применяются двух видов: жидкие при нормальной температуре и твердые, которые предварительно расплавляются при температурах 110- 140 0C и быстро затвердевают при охлаждении. Термоплавкие клеи — это твердые термопластики, расплавляемые при применении и твердеющие при охлаждении. Типичные термоплавкие клеи изготавливаются на основе полимеров, они содержат крепители, модификаторы и стабилизаторы. В качестве полимерной основы обычно применяют полипропилен, полиэтилен, синтетический каучук и этиленвинилацетат. Они обеспечивают прочность и жесткость склеивания. Крепителями являются низкомолекулярные смолы, добавляемые для улучшения адгезионных свойств клея. В качестве модификаторов используются воск и масла, которые регулируют вязкость и теплостойкость клея. Неорганические наполнители в этих клеях не используются. Для сохранения свойств клея применяются стабилизаторы и антиоксиданты В качестве твердого расплавляемого клея можно рекомендовать клей марки ГИПК 25-28.
Жидкие быстросохнущие клеи применяются чаще всего при ручной сборке моделей, расплавленные клеи — при машинной, а также и при ручной для соединения частей модели с небольшой плоскостью разъема.
Для ручной сборки моделей рекомендуется применять клеи, растворителем в которых является бензин или спирт, например БФ-2, ВИАМ-3, № 61 и др. Технология соединения частей моделей при помощи клея включает следующие операции: подготовку поверхностей соединяемых частей моделей; нанесение тонкого слоя клея на подготовленные поверхности; выдержку на воздухе смазанной поверхности для удаления растворителя; соединение частей модели при незначительном их сжатии. Следует учитывать при работе с клеем влажность и температуру воздуха в помещении, которые должны соответствовать нормальным условиям.
При машинной сборке модели устанавливаются в кондуктор, затем на соединительную поверхность, валиком или копиром наносится расплавленный клей, и половинки моделей быстро соединяются при некотором внешнем давлении. После кратковременной выдержки готовая мЬдель извлекается из кондуктора. Все более широкое применение находит технология сборки моделей с помощью сварки, при которой используется способность самого полистирола в расплавленном состоянии обладать хорошей клеящей способностью и образовывать прочное соединение. Существуют два способа соединения моделей из пенополистирола при помощи сварки: контактный и бесконтактный нагрев соединяемых поверхностей.
При контактной сварке места соединения двух частей модели оплавляют разогретой проволокой или ножом и соединяют при небольшом давлении. После выдержки в течение 1-2 с соединение приобретает прочность, сравнимую с прочностью самой модели. Такой способ сварки применяется при соединении поверхностей небольшой протяженности, например при соединении модели с литниковой системой.
При бесконтактной сварке соединяемые части модели укладываются в верхний и нижний кондукторы, между которыми вводится медный контур, воспроизводящий форму соединяемых поверхностей модели и разогретый до температуры 300-350 0C. После оплавления стыка моделей за счет теплоизлучения контур быстро удаляется из разъема, и модели соединяются между собой под небольшим давлением. Модель выдерживается в течение 1-3 с, затем извлекается из кондуктора. Данный способ требует изготовления специальной дорогостоящей оснастки и поэтому применяется только при массовом производстве сложных отливок, например воздушно охлаждаемого тормозного диска автомобиля.
При соединении частей моделей по замкнутому контуру применяется сборка без клея, основанная на использовании упругих свойств пенополистирола. При этом способе размеры сопрягаемых частей модели назначаются с небольшим допуском для получения соединения с натягом. Достаточная прочность соединения частей
Рис. 2.16. Модель воздушно- охлаждаемого тормозного диска автомобиля
Рис. 2.15. Модель статора электродвигателя
Модели достигается при допуске 1,5-1,0 мм на размер 100 мм соединительного элемента, при этом соединяемые поверхности выполняются с уклоном 1-1,5°. На рис. 2.15 показана модель статора электродвигателя, собранная в кондукторе из четырех элементов при помощи расплавленного клея.
На рис. 2.16 — модель воздушно-охлаждаемого тормозного диска легкового автомобиля, полученная сваркой из двух половин, а на рис. 2.17 представлены модели корпуса вентиля, которые изготовлены на модельном автомате в пресс-форме с тремя плоскостями разъема. Внутренний платик в корпусе выполнен отдельно и соединен с моделью корпуса при помощи прессовой посадки.
Рис. 2.17. Модель корпуса вентиля Ду-150
2.3.4. Качество моделей
Качество модели определяется шероховатостью ее поверхности, размерной точностью, равномерностью структуры пенополистирола, ее объемной плотностью и механической прочностью. Шероховатость поверхности модели зависит от качества рабочей поверхности пресс-формы, активности вспененных гранул полистирола и термовременных параметров формирования модели в пресс-форме. При нормальной активности гранул, но при недостаточной температуре теплоносителя поверхность модели формируется с четко выраженной гранулометрической структурой с наличием углублений по границам гранул. При применении гранул с низкой активностью и при нормальном тепловом режиме спекания модели в пресс-форме получаются аналогичные результаты, т. е. поверхность модели имеет грубую шероховатость. Обработка гранул в пресс-форме при повышенной температуре теплоносителя приводит к усадке гранул, при этом структура поверхностного слоя модели характеризуется выступами по границам гранул. При всех этих режимах спекания модели ее поверхность характеризуется высокой шероховатостью, и она не пригодна для получения качественных отливок. Качество поверхности модели при прочих равных условиях зависит от шероховатости рабочей поверхности пресс-формы. В табл. 2.12 представлены результаты исследования шероховатости поверхности модели из пенополистирола объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества поверхности пресс-формы [6].
Таблица 2.12
Шероховатость модели объемной плотностью 25 кг/м3 в зависимости от качества рабочей поверхности пресс-формы
|
Класс шероховатости пресс-формы
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
Класс шероховатости модели
|
3
|
4
|
4
|
5
|
5
|
6
|
По другим данным [18], модель из пенополистирола марки ПСВ-Л объемной плотностью 20 кг/м3, полученная автоклавным процессом при температуре пара 110-115 0C и времени спекания 10-15 мин, имела шероховатость поверхности, зависимость которой от качества пресс-формы выглядит несколько иначе, чем следует из табл. 2.12. Однако тенденция снижения шероховатости модели с улучшением качества рабочей поверхности пресс-формы сохраняется (табл. 2.13).
Таблица 2.13
Шероховатость модели объемной плотностью 20 кг/м3
|
В зависимости от качества рабочей I
Класс шероховатости пресс-формы
|
Говер
3
|
ХИОС’
4
|
Ги пр
5
|
Есс-<
6
|
>орм1
7
|
8
|
|
Класс шероховатости модели
|
2
|
3
|
3
|
4
|
4
|
5
|
Из данных табл. 2.12 и 2.13 следует, что шероховатость поверхности модели ухудшается с понижением объемной плотности пенополистирола и улучшается с повышением класса чистовой обработки рабочей поверхности пресс-формы.
Точность модели определяется разностью размеров рабочей полости пресс-формы и соответствующих размеров модели с учетом ее фактической усадки. Усадка моделей из пенополистирола нестабильна, она зависит как от свойств исходного полистирола, так и от термовременных параметров его дальнейшей переработки. Исследования показали, что усадка пенополистирола при двухста – дийной переработке его в модели протекает в четыре стадии (рис. 2.18) [16]. Первая стадия усадки модели протекает непосредственно в пресс-форме после ее тепловой обработки до извлечения из пресс-формы. Полистирол как основа гранул при нагревании расширяется в объеме, переходит в пластическое состояние и продолжает расширяться, но уже под действием давления паров порообразователя. При охлаждении пресс-формы величина усадки модели будет определяться суммарным воздействием сжимающих усилий уменьшающегося в размерах каркаса гранул из пенополистирола и остаточного давления паров порообразователя в замкну-
Рис. 2.18. Зависимость усадки модели из пенополистирола от времени
С увеличением плотности модели, что равносильно увеличению содержания полистирола, усадка растет, однако при увеличении порообразователя в гранулах пенополистирола она уменьшается или, другими словами, расширяющее действие порообразователя в данном случае тормозит объемную усадку полистирола.
По данным [17, 19], после извлечения модели усадка ее составляет 0,32 %, что совпадает с результатами, представленными на рис. 2.18.
Вторая стадия усадки получает развитие после извлечения модели из пресс-формы и продолжается в течение нескольких часов. Она характеризуется ростом объема модели и снижает величину ее усадки, имевшей место на первой стадии, протекающей в пресс-форме. Увеличение размеров модели связано с недостаточным охлаждением пресс-формы. После извлечения модели из пресс-формы в ее внутренних слоях сохраняется высокое давление порообразователя, под действием которого и происходят увеличение объема модели и снижение величины ее усадки. В [20] показано, что при охлаждении модели в пресс-форме до температур ниже температуры кипения порообразователя увеличение размеров модели после ее извлечения из пресс-формы не происходит.
Третья стадия усадки начинается после предусадочного расширения модели (если оно имело место) и протекает в течение 3- 7 суток. Эта стадия характеризуется наиболее интенсивным ростом усадки и, по многочисленным исследованиям, составляет 75- 80 % общей усадки моделей (см. рис. 2.18). На этой стадии идет испарение остаточной влаги из внутренних слоев модели и утечка порообразователя, что и приводит к снижению внутрипорового давления в гранулах и остаточных напряжений в твердой основе гранул — полистироле.
Четвертая стадия усадки (рис. 2.18) происходит в течение последующих 10-12 дней, когда размеры модели полностью стабилизируются. По данным [19], величина усадки на этой стадии составляет 20-25 % от общей усадки. На этой стадии происходит дальнейшее снижение давления внутри гранул за счет уменьшения порообразователя в результате его диффузии из гранул и внутримолекулярная стабилизация полистирола. Исследования американских ученых показали, что усадка моделей зависит от плотности моделей и размера гранул (рис. 2.19).
16,0 19,2 22,4 25,6 28,8 32,0 35,2
Плотность модели, кг/м3
• — 0,2-0,5 мм А — 0,58-1,2 мм
¦ — 0,35-0,7 мм Старение 28 дней
Рис. 2.19. Усадка моделей в зависимости от размера гранул и плотности модели
7 дней
14 дней 21день 49 дней
0 60 120 180 240 300 360 420 480 1176
Время хранения моделей после изготовления, ч
72 ч
>4ч
Выдержка гранул 48 ч
Рис. 2.20. Влияние срока хранения модели на ее усадку
Срок хранения вспененных гранул до спекания моделей также влияет на усадку (рис. 2.20).
S
(X о
5
3
6
JS
S <и
Измеряемый размер 16,4 мм
16,38 –
16,32 –
16,26 –
16,19
16,13
– 0,54
16,45 г
Ot (X
Таким образом, величина усадки модели зависит как от первичных свойств исходного полистирола, так и от режимов его термовременной обработки при изготовлении моделей (рис. 2.21) и поэтому должна определяться для каждой новой партии полистирола. По данным различных исследователей, общая усадка моделей из пенополистирола изменяется в зависимости от вышеизложенных причин в пределах 0,7-0,8 % [5, 6, 17, 19, 20].
Структурная неоднородность моделей из пенополистирола оказывает существенное влияние на их механические свойства и газовый режим при заливке формы металлом. В зонах повышенной плотности модели следует ожидать появления местных специфических дефектов на поверхности отливок из чугуна и стали.
Х, пв
Рис. 2.21. Зависимость усадки модели от режимов тепловой обработки тпв и свойств пенополистирола:
А) Ti = 1,72, П = 5,12%;
Б)ц = 1,91, П = 6,75%;
В) л = 1,82, П = 6,29 %; (т| — вязкость полистирола; П — содержание пентана в пенополистироле;
Тов — время окончательного вспенивания)
? 0,5 ? 0,4
|
|
|
|
|
6,0 ‘5,5
|
|
|
Sf
|
|
Xob = 7,0 S4s
Illl
|
R^Ni Т‘ Vb
|
|
0,5 1,0 1,5 2,0
|
2,54^3,5
|
|
|
|
X, пв
|
|
0,5
|
I I
|
2,5 3,0 3,5
|
|
|
|
^ = 5,0
|
|
5,5;
|
6,0
|
|
|
|
7,0 ‘
|
|
Наличие посторонних примесей может привести к концентрации неметаллических включений в отливках и снизить их механические свойства. Для получения однородной структуры в моделях из пенополистирола следует использовать для их изготовления гранулы одного размера, а при получении ответственных отливок применять рассеивание гранул после их предварительного вспенивания через сито с размером ячеек в 1,5 раза больше размера гранул. Диаметр вспененных гранул необходимо определять, исходя из минимальной толщины стенки модели, для чего можно воспользоваться зависимостью размера гранул от толщины стенки модели, представленной на рис. 2.22 [12].
Ориентировочно, размер исходных вспененных гранул должен быть не более 1/3-1/4 толщины стенки модели. Пресс-форма должна иметь хорошую перфорацию, что достигается установкой вент или сверлением отверстий диаметром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см, при этом необходимо обеспечить нормальное заполнение пресс-формы гранулами пенополистирола при их подаче воздушным потоком.
D, Мм
0 20 40 60
Мм
Рис. 2.22. Зависимость размера гранул пенополистирола от толщины стенки модели
Качество моделей обеспечивается строгим соблюдением всего технологического процесса их производства, который должен постоянно контролироваться. Каждую вновь поступающую партию полистирола для вспенивания необходимо проверять на соответствие ТУ. Все термовременные параметры технологического процесса вспенивания гранул и изготовления моделей должны контролироваться, а результаты контроля фиксироваться в специальном журнале. Готовые модели, в зависимости от контролируемого параметра, должны подвергаться выборочному или подетальному контролю. Модель после извлечения из пресс-формы подвергается контролю, при котором визуально определяется наличие явных дефектов, таких как оплавление гранул, вмятины, задиры, трещины и др. Выборочному контролю подлежат объемная плотность модели, однородность структуры пенополистирола, наличие посторонних примесей, шероховатость поверхности, размерная точность, остаточная влажность и усадка. Объемная плотность модели определяется выборочно взвешиванием на аналитических весах. Для определения плотности модели можно использовать зависимость между твердостью поверхности модели и ее плотностью, которая представлена в табл. 2.14.
Таблица 2.14
Зависимость твердости поверхности модели от ее объемной плотности
|
Объемная плотность модели, кг/м3
|
20-25
|
26-30
|
31-35
|
36-40
|
|
Твердость по твердомеру модели 071
|
62-72
|
72-78
|
76-80
|
78-85
|
Структурная неоднородность моделей проверяется на просвет на специальном устройстве, которое состоит из короба со стеклянной крышкой и электролампы в качестве источника света. Остальные свойства модели из пенополистирола определяются по стандартным методикам (см. подразд. 2.2.2) [5, 6].
В табл. 2.15 представлена классификация дефектов, которые могут образовываться при изготовлении модели, указаны причины их образования и даны рекомендации по их устранению.
Таблица 2.15
Дефекты моделей, причины их образования и способы устранения
|
Вид дефекта
|
Причина образования
|
Способ устранения
|
|
Недооформ
|
Полость пресс-формы за
|
Установить дополни
|
|
Ление отдель
|
Полнена частично, образо
|
Тельные венты
|
|
Ных частей
|
Вание воздушных пробок
|
|
|
Модели
|
Увеличенный размер гра
|
Уменьшить размер
|
|
|
Нул
|
Гранул
|
|
|
Низкое давление воздуха
|
Повысить давление
|
|
|
В задувном устройстве
|
Воздуха при заполнении пресс-формы
|
|
|
Высокая влажность гранул
|
Просушить гранулы
|
|
|
Большой статический заряд
|
Обработать гранулы
|
|
|
Электричества
|
Антистатиком
|
Окончание табл. 2.15
|
Вид дефекта
|
Причина образования
|
Способ устранения
|
|
Недооформление отдельных частей модели
|
Повышенное содержание остаточного стирола
Низкая активность гранул
|
Проверить содержание остаточного стирола
Проверить активность гранул, при низкой активности заменить пенополистирол
|
|
Грубая поверхность модели, явно выраженная ячеистая структура поверхности
|
Низкая активность гранул
Перевспененные исходные гранулы
Недостаточно плотное заполнение пресс-формы гранулами
|
Повысить активность гранул
Увеличить время или температуру при формировании модели
Увеличить давление воздуха, установить дополнительные венты
|
|
Оплавление поверхности модели, усадка гранул
|
Высокая температура теплоносителя
Завышено время тепловой обработки
Резкое охлаждение пресс – формы в холодной воде
|
Снизить температуру теплоносителя
Уменьшить время тепловой обработки
Повысить температуру воды до 15-20 0C
|
|
Коробление модели, трещины
|
Недостаточное время охлаждения пресс-формы
Высокая активность гранул
|
Увеличить время охлаждения пресс – формы
Снизить активность гранул или заменить их
|
|
Завышена объемная плотность моделей
|
Завышена насыпная плотность вспененных гранул
Высокое давление воздуха в задувном устройстве
Очень мелкие исходные гранулы
|
Увеличить время или температуру вспенивания гранул, увеличить их активность
Снизить давление воздуха в задувном устройстве
Увеличить размер исходных гранул для вспенивания
|
2.3.5. Конструкция пресс-форм
Для изготовления пресс-форм применяются различные конструкционные материалы, которые имеют хорошую теплопроводность, высокую коррозионную стойкость в атмосфере пара и в воде, достаточную механическую прочность и хорошо обрабатываются режущим инструментом. При изготовлении моделей ванным способом, тепловым ударом и в автоклаве пресс-формы изготавливаются, как правило, из алюминиевых сплавов. Заготовками для деталей пресс-форм могут быть как прокат, так и отливки. Чтобы получить качественные модели, желательно применять для изготовления рабочих частей пресс-формы прокат из алюминиевых сплавов марок АМг5, АМг2, АМгб, Д16, 18К6 и др., которые имеют достаточную прочность, высокую плотность и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Крепежная часть пресс-формы и запирающие устройства выполняются из нержавеющей стали марки 30Х12Н9Т, соединительные втулки изготавливаются из бронзы или из нержавеющей стали, венты — из алюминиевых сплавов, идентичных основным частям пресс-формы.
Итальянская фирма «Fiat Teksid» накопила значительный опыт изготовления пресс-форм из пористых пластмасс, рабочая поверхность которых покрывается медью или никелем способом гальванопластики. При этом отпадает необходимость в установке вент и значительно сокращается цикл изготовления пресс-формы [17].
При применении метода ТВЧ пресс-формы изготавливаются из материалов-диэлектриков с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но с теплостойкостью выше температуры вспенивания полистирола. В качестве таких материалов применяются пластики на основе полипропилена, эпоксидных и полиэфирных смол [11].
Пресс-формы для производства моделей ванным или автоклавным способами по своей конструкции подобны металлическим стержневым ящикам, которые применяются при пескодувном процессе, однако они должны иметь равноутолщенные стенки для обеспечения одинакового теплового потока от теплоносителя к гранулам пенополистирола. Элементы модельной оснастки, выполняющие углубления, отверстия и другие поднутрения, должны, по возможности, выполняться полыми с толщиной стенок на 30-50 % меньше, чем наружные стенки пресс-формы. Для простых по конфигурации моделей толщина стенок основных частей пресс – формы зависит от толщины стенок модели: при толщине стенок модели до 6; 6-20 и 20-40 мм толщина стенок пресс-формы составляет соответственно 5-6; 6—8 и 8-12 мм.
Уклоны в пресс-форме при высоте модели до 20 мм не выполняются, при большей высоте стенок они делаются в пределах 0,5°. Венты устанавливаются в стенках пресс-формы с прорезями шириной 0,1-0,3 мм, направление которых должно совпадать с извлечением модели из пресс-формы. При установке вент шаг между ними равен удвоенному диаметру венты. Вместо вент можно использовать перфорацию стенок пресс-формы отверстиями диаметром 0,5-1,0 мм с шагом 1-1,5 см по всей рабочей поверхности пресс-формы. Общая площадь отверстий в вентах должна быть не менее 2 % от рабочей площади пресс-формы. Диаметр задувного отверстия в пресс-форме зависит от размера вспененных гранул и выполняется диаметром от 6 до 12 мм, но не больше толщины стенки модели. Сверху задувного отверстия делается внутренняя фаска глубиной 5 мм под углом 45° для обеспечения плотного прилегания задувного устройства. Диаметры сборочных штырей, втулок, крепежа, стопорного устройства задувного отверстия должны быть нормализованы. Для определения конструкции крепежных элементов модельной оснастки можно использовать PTM 10-60 «Пресс- формы для литья по выплавляемым моделям» или MH 4300-82— MH 4342-62. Шероховатость рабочей поверхности пресс-формы должна быть в пределах 9-11-го классов по ГОСТ 2789-73. Размерная точность рабочей полости пресс-формы должна быть не ниже 4—5-го классов по ГОСТ 26645-85. Рабочие размеры полости пресс – формы назначаются с учетом усадки металла отливки и материала модели. Усадку модели следует учитывать при изготовлении отливок повышенной точности. Усадка отливок из серого чугуна зависит от материала литейной формы и для формы из сухого песка составляет 1,0-1,2%, из металлической дроби— 1,25-1,4%. Для отливок из углеродистой стали при литье в формы из песка линейная усадка металла 2,0-2,3 %.
Стенки пресс-формы необходимо проверять на прочность. Конструкция пресс-формы должна быть жесткой, т. к. при задуве гранул в пресс-форму давление достигает 0,3-0,4 МПа. Кроме того, при спекании модели стенки пресс-формы испытывают давление со стороны пенополистирола.
Давление в пресс-форме P (кгс/см2) определяется по формуле
Где Pa — давление насыщенного пара при конечной температуре формирования модели; Pb — давление воздуха при конечной температуре спекания модели; V — объем газов в модели, равный процентному содержанию пустот в ней; Рд — давление оставшегося в гранулах порообразователя; E — поправочный коэффициент, зависящий от объемной плотности модели (для модели плотностью 16 кг/м3 E = 1,01, плотностью 32 кг/м3 E = 1,03). Давление Pa зависит от температуры теплоносителя и изменяется для температур 100-130 0C от 1,03 до 2,75 кгс/см2. Давление Pb при тех же условиях изменяется от 1,28 до 1,39 кгс/см2. Объем пор V зависит от плотности модели. Давление Pa изменяется в зависимости от температуры и процента оставшегося порообразователя в пределах от 0,069 до 0,376 кгс/см2 [11]. Суммарное давление в полости пресс-формы при температурах теплоносителя от 100 до 120 0C составляет 0,84-1,48 кгс/см , но при этом необходимо учитывать кратковременное давление воздуха при заполнении пресс-формы гранулами пенополистирола. Расчетное давление в пресс-форме при ее конструировании принимается 4 МПа. Для повышения прочности пресс-формы в случае необходимости следует применять оребрение стенок, при этом толщина их должна быть вдвое меньше толщины стенок пресс-формы. Конструкция пресс-формы для получения моделей внутренним тепловым ударом отличается от пресс-форм автоклавного процесса обязательным наличием вент в ее стенках.
Пресс-формы для внешнего теплового удара применяются для машинного изготовления моделей, поэтому в отличие от других типов пресс-форм они имеют закрытую камеру коробчатой формы, к которой герметично присоединяется модельная плита. В камеру по заданному режиму подаются последовательно пар, вода и воздух (см. рис. 2.14).
По своей конструкции паровая камера бывает коробчатой (рис. 2.20, а) и контурной формы (рис. 2.23, б). Более сложная конструкция пресс-формы с трубчатыми каналами в ее стенках, по которым подается пар в полость пресс-формы при изготовлении модели, представлена на рис. 2.23, в.
Рис. 2.23. Разновидности конструкций пресс-форм для машинного изготовления моделей внешним тепловым ударом:
А) коробчатая;
Б) контурная;
Разъема^
Разъема
Разъема
В) с трубчатыми каналами в стенках: 1 — загрузка гранул; 2 — отверстие для ввода пара, воды и воздуха; 3 — отверстие для вывода отработанного пара, воды и воздуха; 4 — венты; 5 — водяные форсунки; 6 — плита машины; 7 — камера
При машинном изготовлении моделей паровая камера является принадлежностью машины, а модельная плита крепится к камере болтовым соединением и является съемной. На модельной плите располагаются одна или несколько вставок, формирующих модель или ее отдельные части. Модельная плита делается из нержавеющей стали с гнездами под модельные вставки, которые изготавливаются из термостойкой пластмассы с гальваническим покрытием медью или никелем или из алюминиевых сплавов. Важным элементом пресс-формы является перфорация модельной вставки, которая должна обеспечить направленный поток воздуха при заполнении полости пресс-формы гранулами и нормальную подачу пара при изготовлении модели. При использовании вакуума для улучшения процесса заполнения полости пресс-формы гранулами и обработки их паром модельные плиты смыкаются плотно, герметизируя полость пресс-формы. При отсутствии вакуума для
Улучшения заполнения полости гранулами между плитами при их запирании сохраняется небольшой зазор (0,25 мм), который после заполнения полости гранулами ликвидируется за счет плотного смыкания модельных плит. Конструктивные элементы модельных вставок выполняются в соответствии с требованиями, которые предъявляются к модельной оснастке для автоклавного способа.
2.4. Изготовление моделей из пенополистирола в единичном производстве отливок
В единичном производстве отливок модели изготавливаются из пенополистироловых плит механической обработкой на деревообрабатывающих станках или на специальных установках горячим инструментом, в качестве которого используется нагретая проволока. Заготовка для модели вырезается из пенополистиро – ловой плиты на станках ленточными пилами с шириной полотна 12-35 мм и с профилем зубьев в виде прямоугольника с углом заострения 60-65° или дисковыми пилами, имеющими зубья в виде равнобедренного или равностороннего треугольника с углом заострения 50-60°. Развал зубьев на сторону составляет 0,1-0,15 мм. Рекомендуемые режимы резания плит представлены в табл. 2.16.
Таблица 2.16
Режимы резания заготовок из плит пенополистирола
|
Наименование станка
|
Скорость резания, м/с
|
Подача, м/мин
|
|
Ленточнопильный
|
20-30
|
1,0-1,5
|
|
Круглопильный
|
30-80
|
3,0-4,0
|
Таблица 2.17
Инструмент и режимы обработки на фуговочных и рейсмусных станках
|
Наименование инструмента
|
Скорость резания, м/с
|
Подача, м/мин
|
Глубина резания,
MM
|
Шероховатость поверхности, Ra, мкм
|
|
Строгальные ножи с углом заострения 36-45° с прямоугольной кромкой резания
|
25-35
|
1,7-2,2
|
2,0
|
60-80
|
Окончание табл. 2.17
|
Наименование
|
Скорость
|
Подача,
|
Глубина
|
Шероховатость
|
|
Инструмента
|
Резания,
М/с
|
М/мин
|
Резания,
MM
|
Поверхности,
|
|
|
|
I? a, мкм
|
|
Вал с наклеенным
|
10-15
|
1,0-1,5
|
До ю
|
10-20
|
|
Наждачным полотном
|
|
|
|
|
|
Зернистостью 40-80 ед.
|
|
|
|
|
|
Вал с набором
|
6,0-20
|
1,5-2,0
|
До 10
|
10-40
|
|
Абразивных кругов
|
|
|
|
|
|
С зернистостью
|
|
|
|
|
|
40-80 ед.
|
|
|
|
|
|
Вал с насечками
|
15-20
|
1,5-2,0
|
До 15
|
20-80
|
|
(профиль зуба напиль
|
|
|
|
|
|
Ника Д-400,
|
|
|
|
|
|
№ 1 по ГОСТ 1465-69,
|
|
|
|
|
|
Высота зуба
|
|
|
|
|
|
0,5-1,0 мм)
|
|
|
|
|
Плоская поверхность заготовок обрабатывается на фуговочных, рейсмусных станках, режимы резания и применяемый инструмент для которых приведены в табл. 2.17.
На фрезерных станках заготовки из пенополистирола обрабатываются фрезами с углом заострения кромки зуба 25-30° или абразивными кругами, марка и размеры которых представлены в табл. 2.18. Режимы резания на фрезерных станках заготовок из пенополистирола приведены в табл. 2.19.
Таблица 2.18
Марка и размеры абразивных кругов
|
Марка круга
|
Размеры круга, мм
|
|
Наружный диаметр
|
Внутренний диаметр
|
Ширина
|
|
Э9А40С1К7
|
60
|
20
|
50
|
|
Э9А50СМ16КБ
|
70
|
20
|
40
|
|
Э9А40С11Б
|
40
|
13
|
40
|
Таблица 2.19
Режимы фрезерования заготовок из пенополистирола
|
Наименование инструмента
|
Режимы резания
|
Шероховатость поверхности, Z? a, мкм
|
|
Скорость резания, м/мин
|
Подача, м/мин
|
Глубина резания,
MM
|
|
Пластинчатая фреза
|
360-1200
|
0,5-1,0
|
–
|
10-80
|
|
Шлифовальные
|
360-900
|
0,5-0,8
|
До 10-20
|
10-80
|
|
Круги диаметром
|
|
|
|
|
|
40-70 мм
|
|
|
|
|
|
Оправка диаметром
|
300-700
|
0,5-0,8
|
До 10-20
|
10^0
|
|
50 мм с наклеен
|
|
|
|
|
|
Ным наждачным
|
|
|
|
|
|
Полотном с зерни
|
|
|
|
|
|
Стостью 40-80 ед.
|
|
|
|
|
|
(ГОСТ 36 47-71)
|
|
|
|
|
|
Фрезы с насечкой
|
300
|
0,5-1,0
|
–
|
10^0
|
|
Диаметром 16 мм
|
|
|
|
|
Для обработки тел вращения из пенопласта применяются токарные и токарно-лобовые станки. Для черновой обработки можно применять обычные токарные резцы по дереву, для чистовой — деревянные резцы, обклеенные наждачной шкуркой на тканевой основе с зернистостью 40-80 ед., при следующих режимах резания: скорость — 15-30 м/с, подача — 1,0 м/мин, глубина резания — до 2,0 мм. Крепление заготовок из пенопласта при их обработке на токарных станках осуществляется на планшайбе шурупами с помощью переходников (рис. 2.24), переходников и крестовин (рис. 2.25) и на крестовинах болтами (рис. 2.26).
Рис. 2.24. Крепление заготовок на планшайбе с помощью
Переходников: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — деревянная колодка переходника; 4 — клей; 5 — заготовка; б — пенополистироловая колодка переходника
Рис. 2.25. Крепление заготовки при помощи переходников и крестовин: 1 — винт; 2 — планшайба; 3 — гвоздь; 4 — крестовина; 5 — подкладка; 6 — клей; 7 — заготовка; 8 — переходник
При обработке глухих и сквозных отверстий малых диаметров рекомендуется применять пластинчатые фрезы, шлифовальные камни и головки, фрезы с насечкой и другой инструмент.
Пенопласт хорошо обрабатывается на специальных установках, на которых в качестве режущего инструмента применяется нагретая до 450-500 0C проволока из нихрома диаметром 0,5-0,8 мм. По проволоке пропускают ток силой 3-5 А, величина которого регулируется при помощи трансформатора. Напряжение тока составляет 12-14 В (рис. 2.27). Устройство станка позволяет производить обработку заготовок под разными углами, в том числе получать сложные фигурные поверхности по предварительной разметке или по шаблону из термостойкого материала.
Рис. 2.26. Крепление заготовки на крестовине болтами: 1 — планшайба; 2 — шуруп; 3 — крестовина; 4 — болт; 5 — шайба с гайкой; б — заготовка; 7 — прокладка
Для получения чистой и ровной поверхности заготовки необходимо обеспечить подачу пенопласта со скоростью в пределах 4-6 см/с. Способ обработки
Пенопласта горячей проволокой отличается от механической. При резании проволокой происходит оплавление гранул полистирола, в результате чего поры затягиваются пленкой, которая образует поверхность с низкой шероховатостью, не требующей последующей чистовой обработки. Для получения замкнутых профилей внутри заготовки в ней делается отверстие, через которое пропускается проволока и производится обработка заготовки по разметке. По окончании обработки проволока отключается от источника тока и извлекается из замкнутого контура.
В настоящее время применяются специальные обрабатывающие центры горячей проволокой с числовым программным управлением, которые позволяют на порядок увеличить производительность при получении высокого качества модели. Например, станок модели СРП-3220 фирмы «Теплозол» (г. Кемерово).
При механической резке плит из пенополистирола на заготовки и их последующей обработке из-за низкого качества пенопласта могут иметь место различные дефекты: выпадание плохо спеченных гранул, впадины или углубления по месту реза, вырывы частиц пенопласта и др. В этом случае поверхность заготовки дополнительно обрабатывается на ленточно-шлифовальных станках или наждачной мелкозернистой шкуркой вручную.
Рис. 2.27. Станок для резки плит из пенополистирола нагретой проволокой: 1 — стол; 2 — плита; 3 — стойка; 4 — ползун; 5 — нихромовая нить; б — пружина; 7 — подставка; 8 — трансформатор; 9 — пенопласт
Грубые поверхностные дефекты могут быть исправлены следующими приемами: разделкой дефекта и установкой вставок или пробок из пенополистирола; нанесением на дефектное место клеящей бумаги типа «скотч»; заполнением глубоких вмятин парафином, воском или шпаклевкой на основе полиметилметакрилата и др. Небольшие дефекты могут закрываться липкой полиэтиленовой лентой (ГОСТ 18578-73). Галтели радиусом менее 8 мм оформляются липкой полиэтиленовой лентой, клеящейся бумагой. Галтели радиусом более 8 мм оформляются отдельными вставками с посадкой на клей (рис. 2.28).
Рис. 2.28. Оформление радиуса сопряжения вставкой
Из пенополистирола: 1 — модель; 2 — вставка; 3 — клей
Для сборки модели из отдельных ее элементов используется клей на спиртовом или бензиновом растворителе. Клей наносится кистью на подготовленные поверхности заготовок, которые после удаления растворителя соединяются между собой под небольшим давлением. На рис. 2.29 представлена модель корпуса подшипника, на рис. 2.30 — модель станины кузнечного молота, на рис. 2.31 — модель стола формовочной машины и на рис. 2.32, — модель кузнечных козел. Все они были изготовлены из заготовок, полученных из плит пенополистирола механической обработкой.
Рис. 2.29. Модель корпуса подшипника
Рис. 2.31. Модель стола формовочной машины
Рис. 2.32. Модель кузнечных козел
При механической обработке плит из пенополистирола могут быть выявлены дефекты, причины образования и способы устранения которых представлены в табл. 2.20.
Таблица 2.20
Виды дефектов, причины их образования и способы устранения при механической обработке пенопласта
|
Вид и причины образования дефектов
|
Меры предупреждения и устранения дефектов
|
|
Выкрашивание гранул с поверхности пенопласта при обработке режущим инструментом. Недостаточная прочность соединения гранул между собой (нарушена технология изготовления плит). Содержание в плитах посторонних примесей с повышенной прочностью.
Недостаточная скорость резания, большая подача, неправильная заточка инструмента
|
Применить плиты из пенополистирола в соответствии с ТУ. Повысить скорость резания, применить нормальный инструмент, уменьшить подачу инструмента.
Дефекты исправляются шпаклевкой, заделываются клеящейся бумагой, изоляционной пленкой
|
Окончание табл. 2.20
|
Вид и причины образования дефектов
|
Меры предупреждения и устранения дефектов
|
|
Волнистость поверхности. Наличие в пенополистироле посторонних примесей, неравномерная подача инструмента, низкая температура при резке проволокой, слабое ее натяжение
|
Применить плиты из пенополистирола в соответствии с ТУ. Обработку проволокой производить при равномерной подаче и при заданной температуре, следить за натяжением проволоки. Волнистость устраняется последующим шлифованием
|
|
Вмятины на поверхности плит и на заготовках модели. Образуются в результате неправильного хранения, при транспортировке и обработке
|
Соблюдать меры предосторожности при хранении, транспортировке и при выполнении операций механической обработки
|
|
Большая шероховатость поверхности заготовок.
Неправильный выбор режущего инструмента и режимов резания
|
Заменить инструмент, изменить режимы резания. Исправляется шлифованием
|
2.5. Подготовка моделей к формовке
Заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока является нанесение противопригарного покрытия, к которому при ЛГМ предъявляются особые требования, вытекающие из технологии производства отливок и процессов, происходящих в формах при заливке их металлом. Противопригарное покрытие наносится на поверхность модели, которая имеет низкую шероховатость, поэтому покрытие должно хорошо смачивать материал модели, образуя с поверхностью прочную адгезионную связь. При формовке модели и уплотнении формы формовочный материал непосредственно воздействует на противопригарное покрытие, поэтому оно должно обладать высокой стойкостью к истиранию и достаточной когезионной прочностью. При заливке формы металлом модель дестругирует с образованием парогазовой фазы, которая должна свободно транспортироваться из зоны взаимодействия модели с металлом через противопригарное покрытие, поэтому покрытие должно обладать достаточной газопроницаемостью. Однако необходимо, чтобы пористость покрытия не снижала его технологическую прочность и при сохранении необходимой газопроницаемости обеспечивала получение отливок без пригара. Свойства противопригарных покрытий, которые применяются при изготовлении разовых форм по извлекаемым моделям, не соответствуют вышеизложенным требованиям, поэтому их не должны использовать при ЛГМ [5, 6, 14, 15].
Определение газопроницаемости покрытия является технологически сложной задачей. Сообщение о газопроницаемости покрытия без указания методики ее определения не может восприниматься достоверно. Ряд исследователей используют для определения газопроницаемости покрытия стандартные образцы из холоднотвердеющих песчаных смесей с известной газопроницаемостью. Такая методика дает искаженные результаты, т. к. при нанесении на такой образец покрытие проникает в его поры, закупоривает их и снижает газопроницаемость самого образца. Кроме того, по такой методике невозможно получить истинное значение толщины покрытия. По заданию фирмы «Teksid» в Миланском политехническом институте был разработан специальный прибор для определения газопроницаемости покрытия при комнатной температуре. Из стеклянного резервуара определенный объем сжатого воздуха пропускается через комбинированное отверстие под тонкую пленку отвержденного покрытия. Время падения давления в резервуаре до атмосферного принимается за меру газопроницаемости. Была установлена прямая связь между газопроницаемостью покрытия и качеством отливок из высокопрочного и серого чугу – нов [17].
Исследования, проведенные в институте проблем литья АН УССР (в настоящее время Физико-технический институт металлов и сплавов HAH Украины), показали, что на газопроницаемость покрытия существенное влияние оказывает физическое состояние его компонентов: скорость удаления дисперсной фазы, природа связующего, свойство огнеупорного наполнителя, его дисперсность и толщина слоя [21]. На рис. 2.33 показана зависимость газопроницаемости покрытия на водной и спиртовой основах от толщины его слоя и вида огнеупорного наполнителя.
Рис. 2.33. Газопроницаемость красок на водной {а) и спиртовой {б) основах в зависимости от толщины слоя покрытия и вида огнеупорного наполнителя: 1 — перлит; 2 — тальк; 3 — пирофилит; 4 — трепел; 5 — циркон;
6 — дистен силлиманит; 7 — перлит и маршалит; 8 — графит;
9 — пылевидный кварц; 10 — без наполнителя
На рис. 2.34 представлено влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки металла для бронзы и латуни. Зависимость величины давления в зоне взаимодействия модели с расплавленным металлом при его заливке в форму от газопроницаемости покрытия представлена на рис. 2.35.
Бр ОЦСЛ 7-5-1
0 5 10 15 20 25 30
Kn, см4/(г • с)
Приведенные результаты исследования показывают, что противопригарное покрытие не только обеспечивает качество поверхности отливки, но и непосредственно влияет на основные параметры процесса ЛГМ: скорость заполнения формы металлом, температуру заливки, заполняемость формы. Следовательно, свойства противопригарного покрытия при прочих равных условиях предопределяют формирование отливки, ее качество. В подтверждение сказанного в работе [10] установлено, что с увеличением толщины слоя противопригарного покрытия и снижением его газопроницаемости увеличивается поверхностное науглероживание отливок из стали. Установлено [10, 11], что толщина слоя покрытия на модели должна быть тем больше, чем больше пористость формы из песка, чем выше температура металла и его гидростатический напор при заливке формы. Рекомендуется найосить на модель слой покрытия толщиной 0,25-1,5 мм. Чем выше температура металла и металлостатический напор, тем толще должен быть слой краски при сохранении ее газопроницаемости. Взвешивание блока моделей до окрашивания и после сушки покрытия дает массу сухого покрытия, что является важнейшей информацией о стабильности условий нанесения покрытия. Отмечается, что качество наносимого на модель слоя покрытия зависит от его вязкости, седиментаци – онной устойчивости и плотности. Поэтому перед нанесением покрытия на модель рекомендуется его тщательно перемешивать. Если перемешивание краски остановить на 10 мин, то получить равномерный слой покрытия на модели практически невозможно. Газопроницаемость покрытия должна устанавливаться на основании равновесия скорости образования парогазовой фазы при термодеструкции модели и скорости ее удаления из зоны взаимодействия модели с металлом с целью минимального влияния продуктов термодеструкции на скорость заливки формы металлом.
1,10
0 5 10 15 20 25 30
Kn, см4/(г • с)
А
Рис. 2.34. Влияние газопроницаемости покрытия на заполняемость формы при различных температурах заливки бронзы (а) и латуни (б): Q — температура перегрева металла
Г3, с
Рис. 2.35. Влияние газопроницаемости покрытия на давление газа в форме при заливке металла с Tz= 1393 К:
1 — газопроницаемость 31 см4/(г • с); 2 — газопроницаемость 1 см4/(г • с)
К противопригарному покрытию при ЛГМ предъявляются и требования, которые при традиционных способах литья не свойственны ему. Покрытие должно повышать жесткость модели, увеличивать ее прочность, уменьшать возможность деформации стенок модели и элементов литниковой системы при формовке. Исследования показали, что увеличение прочности покрытия до 2,5 МПа увеличивает прочность модели на изгиб при ее плотности 20 кг/м3 в 4 раза. Получено уравнение прочности модели с покрытием в зависимости от прочности самого покрытия:
Где Xi — прочность покрытия на изгиб; X2 — толщина слоя покрытия; X3 — объемная плотность модели.
Состав быстросохнущих красок на основе поливинилбутираля, масс. %
Из уравнения следует, что прочность системы модель—покрытие в большей степени определяется прочностью покрытия. Для мелкого стального и чугунного литья хорошо зарекомендовали себя быстросохнущие покрытия на основе раствора поливинилбу – тираля в спирте, состав которых приведен в табл. 2.21 [7].
Таблица 2.21
|
Огнеупорный наполнитель
|
Поли – винил – бутираль
|
Гидролизный спирт
|
Плотность краски, г/см3
|
Вид литья
|
|
Циркон
|
Черный графит
|
Кристаллический графит
|
Марша – лит
|
|
–
|
35
|
10
|
–
|
2,5
|
52,5
|
1,1-1,25
|
Чугун
|
|
60
|
–
|
–
|
–
|
2,5
|
37,5
|
1,7-1,85
|
Сталь
|
|
–
|
–
|
–
|
50
|
2,5
|
47,5
|
1,25-1,4
|
»
|
Таблица 2.22 Состав и свойства быстросохнущих покрытий на основе смолы MlOl
|
Состав краски
|
Содержание,
Масс. %
|
Плотность, г/см3
|
Вязкость
По ВЗ-4, с
|
Время сушки, ч
|
Отстой
|
Металл отливок
|
|
Через 7ч
|
Через 24 ч
|
|
Цирконовый концентрат Смола IOlM Клей 45-08 Бензин «калоша»
|
67
2,0 10 21
|
1,6- 1,65
|
98
|
15-20
|
20
|
40
|
Сталь
|
|
Графит кристаллический Графит аморфный Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша»
|
10
33 5 10 42
|
1,1- 1,2
|
58
|
20
|
35
|
42
|
Чугун
|
|
Тальк
Смола 101М Клей 45-08 Бензин «калоша»
|
46 6 5
43
|
U – 1,14
|
56
|
20-25
|
13
|
28
|
Цветное литье
|
Для крупных моделей можно применять быстросохнущие противопригарные покрытия на основе смолы MlOl5 составы которых приведены в табл. 2.22 [6].
Для чугунных отливок предлагается покрытие с высокой газопроницаемостью, когезионной и адгезионной прочностью на основе органических термостойких смол следующего состава, масс. % [22]:
Фенолформальдегидная смола 9-10;
Борная кислота 0,06-0,08;
Поливинилбутираль 2-3;
Вспученный фильтровальный перлит 7-9; этиловый спирт гидролизный остальное.
Для стальных отливок вместо вспученного перлита применяется термообработанный маршалит.
Для отливок из серого и высокопрочного чугунов рекомендуется водное покрытие на основе цирконовой пасты ЦП-2 (ГОСТ 10772-78) следующего состава, об. %:
TOC \o "1-3" \h \z концентрат цирконовый 50;
Декстрин кислотный 15;
Бентонит 15;
Вода техническая 20.
Сверх 100 % в краску добавляют формалин технический из расчета 40 г на 100 кг краски [21].
Повышенной газопроницаемостью и прочностью обладают противопригарные покрытия, состав которых приведен в табл. 2.23 [21].
Таблица 2.23
Состав водных противопригарных покрытий
|
Наименование компонентов
|
Объемная доля, %
|
|
Для нанесения кистью
|
Для пульверизатора
|
|
Водный раствор натрий карбоксиметил-
|
38
|
55
|
|
Целлюлоза (Na-КМЦ) массовой концен
|
|
|
|
Трации 30-35 г/см3
|
|
|
|
Смола СФЖ-309
|
8
|
12
|
|
Спирт гидролизный
|
4
|
6
|
|
Огнеупорный наполнитель
|
50
|
25
|
В качестве огнеупорного наполнителя для стальных отливок используются: маршалит, дистен-силлиманит, цирконовый концентрат; для чугунных отливок — дистен-силлиманит, графит (скрытокристаллический 80 % и кристаллический 20 %), перлит вспученный; для цветного литья — перлит вспученный, тальк, графит кристаллический. Газопроницаемость покрытия увеличивается с увеличением зернистости огнеупорного наполнителя в краске.
Для неответственных мелких отливок можно применять водные покрытия на основе паст ГП-1, ГП-2 для чугунных отливок и TIT-1, ТП-2 для отливок из цветных сплавов [23].
Нанесение противопригарного покрытия на модель осуществляется следующими способами: окунанием, обливом, с пульверизатора и кистью. Выбор способа нанесения покрытия определяется конструктивными параметрами модели, ее габаритами, жесткостью, прочностью и серийностью производства. Мелкие модели, собранные в блоки, и отдельные модели, обладающие достаточной жесткостью, красятся окунанием. При окунании модели в емкость с покрытием на нее действует архимедова сила выталкивания, равная объему вытесненной жидкости, поэтому необходимо принимать специальные меры для предохранения модели от деформации и разрушения. Модель необходимо погружать в краску медленно, строго вертикально, с опорой на всю верхнюю плоскость или применять специальные приспособления-кондукторы. При крупносерийном производстве для этой цели используются автоматические манипуляторы, которые кроме погружения моделей в краску после их извлечения из емкости производят манипуляции по заданной программе для слива излишков краски из внутренних полостей моделей. Так, в фирме «Peugeot» нанесение покрытия на модель 4-цилиндрового блока двигателя осуществляется роботом методом окунания. Модели охлаждаемых тормозных дисков окрашиваются при их вращении вокруг горизонтальной оси медленным погружением в бак с краской на специальной полуавтоматической линии. Метод полива применяется для моделей или модельных блоков, имеющих недостаточную жесткость и прочность, при серийном производстве. Крупные модели красятся из пульверизатора или кистью вручную.
Сушка противопригарного покрытия является заключительной операцией перед формовкой модели или модельного блока. Применяются три способа сушки противопригарного покрытия: естественная, принудительная тепловая и комбинированная. При естественной сушке модель после покраски помещается под вытяжной зонт, где и выдерживается до удаления растворителя. Процесс сушки ускоряется, если создается воздушный поток теплого сухого воздуха. Естественная сушка применяется главным образом при нанесении на модель быстросохнущих покрытий на спиртовом или бензиновом растворителе. Время сушки зависит от плотности краски, толщины ее слоя и составляет для одноразового покрытия 2-2,5 ч. Необходимо также учитывать, что на продолжительность процесса сушки существенное влияние оказывают влажность и температура воздуха в помещении.
Тепловая сушка применяется для водных покрытий. Она производится в тупиковых или проходных сушилах в потоке горячего воздуха при температуре 55-60 0C. Время сушки составляет 1-10 ч и зависит от толщины слоя покрытия и его состава. Так, сушка водного покрытия на модели впускного коллектора автомобильного двигателя в потоке горячего воздуха при температуре 50 0C показала, что 97 % влаги было удалено за 125 мин, остальные 3 % — за 252 мин, или общее время сушки составило около 6,5 ч [10]. При применении покрытий с хорошей газопроницаемостью возможно применение моделей с покрытием, содержащим остаточную влагу до 3—4 масс. %, что позволяет резко сократить время тепловой сушки.
Комбинированные способы сушки применяются в серийном производстве отливок с целью сокращения времени удаления влаги при применении водных противопригарных покрытий. При данном способе окрашенная модель первоначально подвергается сушке в воздушном потоке при температуре 50-60 0C в течение 30-90 мин, при этом удаляется 60-80 % влаги. На втором этапе модель помещается в микроволновую печь на 6-15 мин для удаления оставшейся воды. Расход электроэнергии при этом составляет 0,52 кВт/м2 объема камеры или 0,9-2,0 кВт на один модельный блок, состоящий из 4-8 моделей впускного коллектора к автомобильному двигателю [24].
Глава III
ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
3.1. Термодеструкция моделей из пенополистирола
Формирование поверхности отливки, ее геометрии и физико – механических свойств при ЛГМ происходит в результате сложных процессов массо – и теплопереноса в системе модель—металл— форма. Наличие модели в форме, которая газифицируется под действием расплавленного металла, меняет сложившиеся теоретические и технологические представления о процессах формирования отливки. Как ни в одном из ранее существующих технологических способов производства отливок, продукты термической деструкции модели предопределяют качество отливки. Очевидно, что главная роль в процессах формирования отливки при данном способе литья принадлежит газовому режиму литейной формы.
Под газовым режимом литейной формы следует понимать количественное и качественное изменение во времени продуктов термической деструкции модели в полости формы, на границе металл—форма и в стенках формы во время заливки металла, его кристаллизации, охлаждения и взаимодействие этих продуктов с металлом на всех стадиях формирования отливки.
1 2
L
У
Рис. 3.1. Физическая модель процесса: 1 — форма; 2 — модель из пенополистирола; 3 — расплавленный металл
H
Установлено [2], что если при нагреве вещества с низкой теплопроводностью выше температуры его разрушения происходят фазовые и химические превращения, то, согласно теории тепло – и массопереноса, процесс термодеструкции вещества локализуется в узком фронте превращения, а скорость продвижения в глубь вещества будет определяться мощностью источника тепловой энергии и теплофизическими свойствами самого вещества. Пенополисти – рол при объемной массе 20-30 кг/м3 обладает низкой теплопроводностью (А. = 1,35 Вт/(м • К)), теплоемкостью (с = 444,45 Дж/К) и температуропроводностью (а = 5,7 ¦ IO7 Вт/(м • К)), поэтому процесс термодеструкции модели в полости формы под воздействием тепловой энергии расплавленного металла будет локализоваться в узком фронте взаимодействия модели с металлом, скорость перемещения которого будет определяться теплофизическими свойствами материала модели, гидравлическими свойствами формы, температурой и скоростью заливки формы расплавом (рис. 3.1). На рис. 3.2, а представлены результаты исследования процесса термодеструкции модели из пенополистирола плотностью 25 кг/м3 при заливке формы алюминиевым сплавом (Гзал = 750 °С) [16]. Термопара была расположена в модели вертикально и фиксировала все процессы фазовых превращений в ней на границе модель— металл при подъеме расплава и замещении им модели в плоскости средней ее части. Результаты изменения температуры в зоне начала и конца взаимодействия металла и модели показывают, что процесс имеет пять стадий. На I стадии происходят усадка модели и образование зазора между моделью и металлом; на II — плавление модели; на III стадии протекает термодеструкция модели с выделением газовой, паровой, жидкой и твердой фаз; на IV стадии зафиксирован процесс термодеструкции жидкой фазы на зеркале металла; волнистость на температурной кривой на V стадии характеризует падение капель жидкой фазы с фронта разложения модели на зеркало жидкого металла и температуру самого металла, т. е. продвижение зоны взаимодействия металл—модель. При скорости подъема металла 4,35 см/с величина зазора между моделью и металлом составила 4,35 • 0,2 = 0,87 (см).
|
И
|
700
|
|
О
|
|
Св ?
|
650
|
|
? а
|
600
|
|
О.
|
|
|
(D С
|
550
|
|
S
|
|
|
(D
H
|
500
|
|
|
450
|
|
|
400
|
|
|
350
|
|
|
300
|
|
|
250
|
|
|
200
|
|
|
150
|
|
|
100
|
|
|
50
|
А
|
:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
——
|
|
|
|
|
—
|
—
|
|
J
|
J
|
|
|
|
|
—
|
|
:
|
——
|
|
——
|
——-
|
——
|
|
!—-
|
|
–
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
—
|
|
|
|
—
|
–
|
|
|
|
|
|
|
|
—
|
|
|
–
|
–
|
|
|
|
|
|
|
|
|
!—
|
И’
|
|
—
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
—
|
|
( IJ
|
UU
|
|
/
|
|
V
|
|
|
|
|
|
[V
|
|
|
|
|
|
|
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Время, с
Рис. 3.2. Изменение температуры в зазоре между моделью и металлом: а) при плотности модели 25 кг/м3:1 — усадка модели и образование зазора; II — плавление модели; III — термодеструкция модели; IV — плавление жидкой фазы; V — температура металла; б) при плотности модели 36 кг/м : I — усадка модели; II — переход в эластичное состояние и начало плавления модели; IH — плавление и термодеструкция модели; IV — термодеструкция жидкой фазы на зеркале металла; V — температура металла (см. также с. 102)
И 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Время, с
G 500 S
? 450 400 350 300 250 200 150 100 50
Б у 650 g 600
Рис. 3.2. Окончание
На рис. 3.2, б представлена температурная зависимость для модели из пенополистирола плотностью 36 кг/м3 при идентичных условия заливки формы металлом.
При плотности модели 36 кг/м3 более четко фиксируются фазовые переходы термодеструкции модели: усадка и переход полистирола в эластичное состояние (зона I), плавление и начало деполимеризации полистирола (300 0C) (зона II), образование и накопление жидкой фазы и ее термодеструкция до паровой и газовой фаз со значительным поглощением тепла (зона III). С увеличением плотности модели увеличивается и расход тепловой энергии металла. Так, при плотности модели 25 кг/м3 температура металла при дальнейшем продвижении зоны взаимодействия модель— металл составила 650 0C, а при плотности модели 36 кг/см2 она снизилась еще на 40° и составила 610 0C. Величина зазора также увеличилась и при скорости подъема металла в форме 3,33 см/с составила 3,33-0,3 = 0,99 (см). Таким образом, полученные результаты исследования процесса взаимодействия модели и металла при заливке формы подтверждают предлагаемую физическую модель процесса ЛГМ (рис. 3.1).
Между скоростью подъема металла в полости формы Vmct, скоростью продвижения фронта термодеструкции модели Vu и скоростью удаления продуктов при термическом разрушении модели Vr существует термодинамическое равновесие, которое определяет величину фронта превращения модели зазор 8 между расплавом и моделью и давление в полости зазора Рф. Очевидно, что определяющим в этой динамической системе следует считать кинетику процесса термодеструкции пенополистирола, т. е. скорость протекания химических и фазовых превращений.
Путем многочисленных исследований установлено, что термическая деструкция пенополистирола сопровождается сложными фазовыми и химическими превращениями, в результате которых образуются жидкие, паро – и газообразные, а также твердые продукты, причем глубина протекания процесса разрушения модели при прочих равных условиях определяется только температурой источника тепловой энергии [1, 3, 4, 5].
При нагреве пенополистирола выше 81 0C он переходит в высокоэластическое состояние, при котором происходит его увеличение в объеме за счет внутреннего давления паров порообразователя; при дальнейшем нагреве до 239 0C пенополистирол переходит в вязкотекучее состояние; при 300 0C начинается процесс деполимеризации полистирола. Установлено, что при нагреве полистирола до 350 0C разрушение его происходит с выделением четырех фракций [3]. Самая летучая фракция состоит из оксида углерода, который образуется в результате химического взаимодействия полистирола с адсорбированным кислородом. Две другие фракции имеют одинаковую молекулярную массу (263-264), но обладают различной летучестью. Одна фракция летуча как при температуре реакции (350-420 0C), так и при комнатной (20 0C); она состоит из 92-94 % стирола, 4-8 % толуола и содержит следы этилбензола и метилстирола. Вторая летуча только при температуре реакции и содержит наряду со стиролом димер стирола (19,32 %), тример стирола (32,08 %) и тетрамер стирола (3,85 %). Жидкая фракция нелетуча и состоит из осколков полимерной цепи с молекулярной массой около 2000. При нагреве полистирола до 500 0C деструкция его идет в основном до мономера и небольшого количества диме – ра. При нагреве выше 500 0C происходит интенсивный рост газовыделения и появляется негазифицируемый остаток.
Результаты исследования полистирола в условиях высокотемпературного теплового удара, при котором полистирол помещался в печь при заданной температуре, представлены в табл. 3.1 [4].
Из данных таблицы следует, что с повышением температуры пиролиза возрастает глубина термодеструкции полистирола, характеризующаяся ростом количества газообразных продуктов и коксового остатка. Следует ждать подобной закономерности и при термодеструкции модели из пенополистирола в литейной форме при заливке ее металлом.
Таблица 3.1
Анализ продуктов термодеструкции полистирола
|
Темпе
|
Выход газа, см3/г
|
Состав газа, об. %
|
Выход, вес. %
|
|
Ратура в печи, 0C
|
CllHm
|
H2
|
CH4
|
Газ
|
Жидкая фаза
|
Твердая фаза
|
|
800
|
165
|
20,5
|
37
|
34,6
|
ПД
|
70,8
|
18,1
|
|
175
|
20,8
|
35,5
|
35,4
|
12,0
|
70,4
|
17,5
|
|
1000
|
500
|
2,5
|
74,3
|
19,3
|
15,1
|
23,5
|
61,4
|
|
518
|
2,4
|
71,4
|
21,7
|
14,8
|
27,2
|
58,0
|
|
1200
|
738
|
1,5
|
82,3
|
9,3
|
18,5
|
11,5
|
65,0
|
|
689
|
1,3
|
82,3
|
10,2
|
16,3
|
18,9
|
64,7
|
Однако необходимо учитывать различие между процессом термодеструкции пенополистирола в литейной форме и пиролизом полистирола в условиях эксперимента, изложенного в [4]. В литейной форме летучие продукты удаляются из зоны взаимодействия модели и металла, а сам процесс термодеструкции протекает при взаимном перемещении фронта превращения полистирола и расплава и локализуется в небольшом зазоре между ними.
Исследование процесса термодеструкции модели проводилось на установке (рис. 3.3) по методике, имитирующей технологию литья по газифицируемым моделям [9].
Исследуемый образец из пенополистирола 4 помещался в гильзу 5 из нержавеющей стали, которая соединялась с рейкой 8. Рейка связана с поперечиной 6, которая вертикально перемещается с помощью маховика 14 по рейке 11, закрепленной на станине 18. Штанга с гильзой и образцом устанавливается в такое крайнее верхнее положение, чтобы можно было опустить гильзу с помощью электропривода в крайнее нижнее положение, обеспечив полное
Рис. 3.3. Экспериментальная установка для исследования термодеструкции пенополистирола
Погружение образца с заданной скоростью в ковш 1 с металлом, который перекрывается крышкой 3 с отверстием по центру для прохода гильзы. Перед проведением эксперимента отверстие в крышке перекрывается заслонкой 19. Образец из пенополистирола диаметром 50 мм и высотой 50 мм с отверстием диаметром 10 мм помещается в гильзу на высоте 50 мм от ее нижней кромки. Внутренняя и наружная поверхности гильзы покрывались (толщина слоя 0,1-0,2 мм) противопригарной негазотворной краской, которая после нанесения на гильзу прокаливалась при температуре 300-350 0C в течение 2 ч. Парообразные продукты пиролиза улавливались в ловушке 15. По изменению давления в емкости 17 определялись объем и кинетика выделения газов, которое фиксировалось тензометрическими датчиками ТД-1 и ТД-2. Начало и конец погружения образца в металл фиксировались электрическими контактами. Для учета влияния гильзы на давление в емкости 17 проводился эксперимент без пенополистирола. Объем выделяющихся газов определялся по формуле
Где Pocц — давление, фиксируемое осциллографом; t — температура газа в емкости.
Масса парообразных продуктов пиролиза определялась по разности массы фильтра в ловушке до и после эксперимента. Количество твердых продуктов определялось по разности массы образца и суммарной массы газа и конденсата. Количественный и качественный анализ производился на хромотографе ХЛ-2, анализ конденсата — на хромотографе «Цвет-2». Результаты исследования пенополистирола марок ПСВ-Л и ПСБ-А плотностью 25 кг/м3 при температуре металла 700, 1300 и 1550 0C при скорости погружения образца 1 и 2,5 см/с представлены в табл. 3.2 и 3.3. Из табл. 3.3 следует, что глубина пиролиза зависит от температуры, с повышением которой увеличивается выход газообразных продуктов и коксового остатка, что качественно согласуется с результатами, приведенными в табл. 3.1. Наличие кислорода в пенополистироле, как адсорбированного, так и свободного в порах пенопласта, приводит к окислительной термодеструкции полистирола с образованием СО. Реакцию окисления полистирола можно представить следующим образом:
ОН
О
Так как энергия связи О—H составляет около 104 ккал/моль, а О—О — 45 ккал/моль, то при нагреве полистирола происходит разрыв связи О—О с образованием радикала ЮН. Энергия связи С—О составляет 75-79 ккал/моль, а энергия связи третичного углерода ослаблена бензольной группой и составляет около 60 ккал/моль, поэтому при нагревании происходит разрыв данной связи с образованием активного радикала *СбН5. При разрыве связи С—C6H5 образуется двойная связь C=O, энергия которой
Составляет 175-191 ккал/моль, в то время как энергия связи между С—С в главной цепи полистирола равна 85,7 ккал/моль, вследствие чего происходит разрыв углерод-углеродных связей с образованием молекулы СО и двух полимерных радикалов:
Или радикала и полимолекулы:
«С8Н8 XC8H8 + («-х) С 8Н8 (B1)
Но радикалы, образованные под действием окислительной термодеструкции по реакции (В), будут подвергаться дальнейшей окислительной деструкции по реакции (А), что приведет к уменьшению количества мономера в полимерной цепи полистирола до его полной деполимеризации.
Таблица 3.2
Состав газообразных продуктов термодеструкции пенополистирола в зависимости от температуры и скорости заливки металла
|
Состав
|
ПСВ-Л
|
ПСБ-А
|
|
Газа
|
700 0C
|
13000C
|
15500C
|
700 0C
|
1300 0C
|
15500C
|
|
H2
|
25,9
|
54,3
|
68,5
|
22,6
|
53,3
|
57,5
|
|
23,1
|
52,2
|
60,0
|
20,6
|
50,1
|
55,4
|
|
СО
|
20,4
|
9,7
|
8,5
|
26,2
|
7,95
|
21,3
|
|
29,3
|
11,5
|
17,0
|
30,0
|
15,1
|
29,6
|
|
CH4
|
27,9
|
12,4
|
9,76
|
13,1
|
13,0
|
8,53
|
|
19,7
|
13,0
|
8,7
|
15,7
|
14,7
|
8,24
|
|
C2H4
|
17,7
|
9,23
|
3,37
|
23,5
|
7,35
|
2,1
|
|
16,7
|
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)
Ах
Углерод, образовавшейся по реакции (3.9), выступает как инициатор разложения ацетилена:
C2 + C2H2-2С2Н (3.12, а)
C2H2+ C2H – C4H3 (3.12,6)
C2 + С4Н3 — C4H2 +C2H (3.12, в)
2С2Н — C4H2 (3.12, г)
C2 + C4H2 — С 2Н + С 4Н (3.12, д)
C4H+ C2H2 – C6H3 (3.12, е)
^[C6H6] _ л П3,5 Л RT гГ и 12
С 4Н + С 2Н C6H2 и т. д. (3.12, з)
Развитие реакций по радикальному механизму приводит к образованию высокоуглеродистых соединений — сажи, а на подложке — пироуглерода со структурой C8H. Распад ацетилена при наличии зародышей углерода может происходить по реакциям:
C2 + C2H2 C4 + H2 (3.13, а)
C4 + C2H2 C6 + H2 и т. д. (3.13, б)
Изложенный механизм распада ацетилена приводит к полимеризации углерода и образованию углеродно-водородных комплексов, выделяющихся в виде сажи и пироуглерода.
Содержащийся в полистироле изопентан (пентан) под действием высокой температуры образует несколько активных радикалов:
C5Hi2-* C5Hn+ № (3.14)
Установлено [8], что при температуре 600 0C радикальная реакция пиролиза изопентана идет с образованием следующих соединений:
C5Hn C3H6 + 0,9С2Н6 + 0,1 C2H4 + 0,IH2 (3.15, а)
Скорость реакции определяется уравнением
————————— 12J =1013g RT [C5H12] (3.15,6)
Таким образом, продукты термодеструкции пенополистирола в полости литейной формы при заливке ее металлом образуются в результате протекания радикально-цепных реакций и окислительного пиролиза.
(3.12, ж)
Углерод (пироуглерод и сажа) образуются в результате термической деструкции полистирола за счет радикально-цепных реакций бензола, ацетилена, диацетилена и метана, причем основным источником образования углерода следует считать реакции пиролиза
Ароматических углеводородов. Установлено [8], что углерод в газовой фазе может существовать в виде многоатомных частиц: C2, С3, C4 и т. д., причем с возрастанием числа атомов в частице углерода энергия отщепления атома от частицы возрастает. Так, если энергия связи двухатомного углерода составляет 71,59 ккал/грамм – атома, то для шестиатомного — 124,25 ккал/грамм-атома. При Cj6 (Ci6 = Ci5 + С) энергия отщепления атома углерода составит 146,84 ккал/грамм-атома. Энергия диссоциации многоатомных молекул будет соответственно: 143,17; 745,47 и 2210,57 ккал/моль. Поэтому при средних температурах в газовой фазе могут находиться двух – и трехатомные соединения углерода. Многоатомные углеродные соединения конденсируются, причем диссоциация их практически ничтожна.
3.2. Кинетика фазовых превращений
Фазовый состав продуктов термодеструкции модели определяет количественные параметры газового режима литейной формы в период заливки ее металлом и оказывает непосредственное влияние на формирование механических свойств и качество поверхности отливок.
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Температура, 0C
О — Vifet = 2,5 см/с; д— Vlter = 2,0 см/с; х~ Vuet = 1,0 см/с
Рис. 3.4. Зависимость фазового состава продуктов термодеструкции пенополистирола от температуры заливаемого в форму металла
Из рис. 3.4 следует, что фазовый состав продуктов термической деструкции пенополистирола при прочих равных условиях определяется температурой заливаемого в форму металла. На рис. 3.5 представлены зависимости выделения паровой и газовой фаз при термодеструкции модели от скорости подъема металла в полости формы и его температуры [9]. Установлено [10], что кинетика па – ро – и газовыделения (объем газа Qr, см3) при термодеструкции моделей описывается уравнением
Qr = CiFxm, (3.16)
Где F — площадь взаимодействия модели с расплавом, см2 (см. рис. 3.1); т — время заливки формы металлом, с; а — относительный
Время заливки, с
Fm = 4,0 см/с —– Vm = 1,0 см/с
—— Fm = 2,5 см/с
Рис. 3.5. Кинетика газовыделения при термодеструкции пенополистирола в зависимости от температуры металла и скорости подъема металла в форме
Коэффициент газовыделения, см/с"™; т — показатель степени, характеризующий кинетику газовьщеления.
Относительный коэффициент газовыделения а и показатель степени т зависят от температуры заливаемого в форму металла, скорости заливки и объемной массы модели из пенополистирола.
Процесс выделения паровой и газовой фаз при термодеструкции модели, представленный на рис. 3.5, можно разбить на два временных периода. Первый период соответствует объему выделившейся парогазовой фазы за время заливки формы расплавом (т3), второй начинается после заливки формы и заканчивается полной газификацией модели. Если обозначить через Qi объем газа, который выделился за время заливки формы х3, а через Qq — объем газа, выделившийся при полной газификации модели (только газовая фаза), то степень газификации модели из пенополистирола п за период заливки формы тз определится отношением
N = ^L. (3.17)
Изменение фазового состава продуктов термодеструкции модели происходит по следующей схеме. При первичном взаимодействии металла с моделью в полости литейной формы процесс термодеструкции пенополистирола протекает с образованием жидкой, паровой, газовой и твердой фаз, соотношение между которыми определяется температурой заливаемого металла (см. рис. 3.4). По мере продвижения фронта фазовых превращений под действием скоростного напора расплавленного металла происходит дальнейшая термодеструкция модели, но полная газификация жидкой фазы происходит со скоростью меньшей, чем скорость подъема металла, что приводит к накоплению жидкой фазы на поверхности расплава. После окончания заливки формы жидкая фаза, отжатая металлом на границу металл—форма, продолжает деструтировать с образованием газовой и твердой фаз. Коэффициент накопления жидкой фазы можно определить по формуле
8=1 – п. (3.18)
Зависимость величины степени газификации модели п и коэффициента накопления жидкой фазы с от скорости заливки формы металлом для алюминия (7), чугуна (2) и стали (3) представлены на рис. 3.6.
S ^
S Vj
5 i
S S •в1 w
О -€н
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 , Скорость металла в форме, Flll, См/с
Рис. 3.6. Изменение величины степени газификации п и коэффициента накопления жидкой фазы s в зависимости от скорости заливки: 1 — алюминиевые сплавы; 2 — чугун; 3 — сталь
На рис. 3.7 приведены зависимости степени газификации п от скорости подъема металла и его температуры. Результаты экспериментального исследования кинетики фазовых превращений, приведенных на рис. 3.6 и 3.7, показывают, что при скорости заливки формы металлом выше 4 см/с степень газификации зависит только от температуры. С повышением температуры металла при скорости заливки в пределах 1-4 см/с степень газификации имеет максимум в интервале температур 1100-1350 0C, что соответствует температурам заливки бронзы и чугуна. При заливке металла со скоростью выше 1 см/с степень газификации модели резко понижается при температуре металла более 1300 0C и возрастает количество жидкой фазы. Эта закономерность, вытекающая из теоретического анализа термической деструкции пенополистирола, хорошо согласуется с практикой получения отливок из стали.
С повышением температуры глубина термодеструкции полистирола должна увеличиваться, следовательно, мелкие отливки из стали Должны иметь лучшее качество поверхности, чем такие же отливки из чугуна. Практически получается наоборот. Мелкие отливки, как правило, заливаются с большей скоростью, поэтому при получении стальных отливок выделяется больше жидкой фазы, что и приводит к ухудшению их качества. Чугунные отливки можно получать при
Vu — 4 см/с
_ I___ I___ I I___ I___ I___ L__ I___ I___ I
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Температура, 0C
Рис. 3.7. Изменение степени газификации для различных скоростей подъема металла в полости формы в зависимости от температуры металла
Режимах заливки, которые соответствуют высокой степени газификации, что значительно уменьшает количество внешних дефектов.
Установлено [9], что полная газификация модели за время заливки формы металлом в интервале температур 700-1350 0C происходит при скорости подъема металла в полости формы 0,5 см/с и в интервале 1550-1600 0C — 0,625 см/с. Абсолютная скорость газификации пенополистирола при температуре 700-1350 0C составляет 0,24 г/с, при 1550-1600 0C — 0,3 г/с.
На рис. 3.8 представлены графики изменения относительной и абсолютной газотворности пенополистирола в зависимости от температуры.
0,2 – ОД – 0 – 600
Зависимость относительной газотворности пенополистирола от скорости заливки представлена на рис. 3.9.
L
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
V? см/с
Рис. 3.9. Изменение относительной газотворности пенополистирола в зависимости от скорости подъема металла в полости формы
Шш
Рис. 3.8. Изменение относительной (7, 2) и абсолютной (3) газотворности пенополистирола в зависимости от температуры
Если известна абсолютная газотворность пенополистирола Qo, то относительную газотворность q (см3/г) можно определить по формуле
Q = Qon. (3.19)
Кинетику фазовых превращений при термодеструкции пенополистирола при заливке формы металлом можно представить в виде приведенной ниже схемы (рис. 3.10):
Пенополистирол (модель)
Газовая фаза Жидкая фаза Твердая фаза
Г Паровая фаза Газовая фаза Твердая фаза
– Газовая фаза
L Твердая фаза
Рис. 3.10. Схема кинетики фазовых превращений при термодеструкции пенополистирола при заливке формы металлом
Процесс термодеструкции модели соответствует закономерности ее газификации и определяется уравнением
Qu=bFxm. (3.20)
Если разделить уравнение (3.20) на уравнение газовыделения
(3.16) с учетом Qm = – jl, где Gm — масса модели, ум — объемная Ym
Плотность модели, то коэффициент Ъ равен:
Ь^-^— = —^—. (3.21)
Ум? м JuQon
Весовое количество модели, которое полностью дестругируется в процессе заливки формы металлом, равно:
Весовое количество жидкой фазы определяется как разность между исходной массой модели и массой модели, подверженной термодеструкции за время заливки формы металлом:
Gjk = Gm – Gm, или G7k = Gm – ум bFxm. Количество парообразной фазы определяется по формуле
Gn = KjuaFxfni (3.23)
Где К — отношение между паровой и газовой фазами, определяемое по графикам рис. 3.4. Количество газовой фазы определяется в соответствии с (3.16):
Gr = yTaFxm. (3.24)
Количество твердой фазы определяется как разность между массой модели и суммарной массой жидкой, паровой и газовой фаз:
На основании уравнений кинетики фазовых превращений построены монограммы термодеструкции модели из пенополистиро-
Gt
Ла в безразмерных координатах —- и — для температур заливки
G0 Т0
Алюминиевых сплавов (рис. 3.11, а), чугуна (рис. 3.11, б) и стали (рис. 3.11, в), где Gx — масса фазовых составляющих термодеструкции при времени заливки Xx; Go — исходная масса модели; То — время полной газификации модели, которое определяется по формуле
T0=-, (3.26)
Где hM — высота модели по ее расположению в форме; Wo — минимальная скорость заливки формы металлом, при которой происходит полная газификация модели.
С
GJG о, г
Б
Хх/т0, с
Рис. 3.11. Кинетическая диаграмма фазового состояния продуктов термодеструкции пенополистирола при температурах заливки алюминиевых сплавов, чугуна и стали, °С: а) 700-750; б) 1300-1350; в) 1500-1600 (см. также с. 125)
Xx /т0, С
Рис. 3.11. Окончание
При назначении скорости заливки формы металлом следует исходить из оптимального соотношения фаз термодеструкции; при этом необходимо учитывать, что жидкая фаза является основным источником образования дефектов на поверхности отливок, особенно из чугуна и стали. В [10] предложен критерий качества отливок Кк:
К = ^ <0,01, (3.27)
К S
M
Где Sm — поверхность модели, см2.
