2.3. Изготовление моделей в серийном производстве | Металлолом

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-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 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 = ^