, Во всех случаях необходимо, чтобы свойства составов обеспечивали получение высококачественных моделей при одновременной технологичности составов (простоте их приготовления, удобстве использования, возможности утилизации).
Ниже приведены наиболее универсальные требования к модельным составам.
1.
Состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы и ее поверхности, не прилипать к пресс-форме. Поверхность модели должна быть чистой, глянцевой.
2.
После затвердевания в пресс-форме состав должен иметь твердость и прочность достаточные для того, чтобы модели не деформировались и не повреждались на всех технологических операциях.
3.
Усадка состава при охлаждении и расширение его при нагреве должны быть минимальными и стабильными.
4.
Состав должен быть несложным в приготовлении, иметь Минимальное число компонентов, желательно недорогих и недефи-Цитных.
5.
Температура плавлений модельного состава должна быть Невысокой, в пределах 60—‘100 °С. В этом случае облегчается изго* -товление моделей и удаление их из полости литейных форм. Одновременно температура начала размягчения состава должна’ быть -не ниже 32—35 С, т. е. на 10—15
С превышать температуру поме* щений, в которых изготовляют, хранят модели, собирают в блоки и наносят на них суспензию.
6. Выплавляемый модельный состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном: состоянии для облегчения изготовления моделей и выплавления их из форм.
7.
Модельные составы, запрессовываемые в пастообразном (вязкопластичном) состоянии, должны обладать в этом состоянии хорошей текучестью, позволяющей получать модели с четкой проработкой контуров полости пресс-формы и ее поверхности при малых давлениях прессования.
8.
Продолжительность затвердевания модельного состава в пресс-форме должна быть минимальной.
9.
Плотность состава должна быть невысокой. Желательно, чтобы она была менее 1000 кг/м
. Это облегчает работу с модельными блоками, уменьшает оц£СН
собственной массы моделей, а при выплавлении моделей в горячей воде способствует лучшему отделению модельного состава для повторного использования.
10.
Химическое взаимодействие состава с материалом пресс-форм, а также со связующим раствором и огнеупорной основой суспензии недопустимо.
11.
Модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией.
12.
Хорошее спаивание модельного состава весьма желательно, так как это облегчает сборку блоков припаиванием и соединение сложных моделей, изготовляемых по частям.
13.
Зольность модельного состава должна быть минимальной.
14.
Структура состава должна быть механически однородной.
15.
Желательно, чтобы модельныйсостав был пригодным для многократного повторного использования, потери его в процессе применения были минимальными, а технологические свойства не ухудшались при работе и хранении.
16.
Модельный состав в любом состоянии должен быть безвредным для здоровья работающих (в твердом, расплавленном, парообразном виде), также как и продукты его деструкции, образующиеся, например, при прокаливании форм. Отходы модельного состава не должны загрязнять окружающую среду.
Недостаточное соответствие свойств модельных составов оптимальным свойствам является одной из важнейших причин высокой трудоемкости изготовления моделей и сборки блоков в ряде отраслей промышленности, невысокой размерной точности отливок, значительного брака моделей и дефектов оболочек форм, связанных с недостатками модельных составов. Недостатки применяемых модельных составов — одна из причин значительных технологических потерь на основных операциях процесса литья по выплавляемым моделям, Наглядной характеристикой этих потерь служит коэффициент использования моделей (КИМо), который на ряде предприятий не превышает 0,5, что указывает не необходимость изготовления зе менее двух моделей для получения одной годной отливки [107}. : Отмененные выше обстоятельства, а также возросшиетребования к качеству отливок, изготовляемых методом литья по выплавляемым моделям, являются причиной непрекращающихся работ по совершенствованию применяемых и изысканню-новых модельных составов.
.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ
В отечественной практике литья по выплавляемым, моделям наиболее часто используют парафин, церезин, буроугольныйзвоск; торфяной воск, канифоль, карбамид, азотные и азотнокислые соли щелочных металлов, стеарин. Имеется опыт использования, в качестве добавок полиэтилена обычного и полиэтиленовых восков, этилцеллюлозы, триэтаноламина, дибутилфталата, поливинилового спирта. Осваивается в производственных условиях изготовление выжигаемых моделей из полистирола дЛя вспенивания. Ниже приведены краткие сведения об этих материалах.
Парафин — смесь твердых насыщенных (предельных) углеводородов метанового ряда С
п
Н
2
„
+
2, получают главным образом при возгонке парафиновых и высокопарафиновых нефтей, а также сухой перегонкой бурого угля и горючих сланцев. Синтетический парафин изготовляют путем восстановления окиси углерода водородом. В процессе получения так называемого товарного парафина отделяют масла и низкоплавкие парафины. В соответствии с ГОСТ 23683—79 парафины нефтяные твердые по степени очистки разделяют на высокоочищенные, очищенные и неочищенные. В зависимости от применения стандартом предусмотрены следующие марки парафинов: П-1, П-2 и П-3 — высокоочищенные, предназначенные для пищевой промышленности; В
х
, В
2
, В
3
, В
4
, В
5
— высокоочищенные, предназначенные для использования в различных отраслях народного хозяйства; Т и С — очищенные технического назначения (С — специально для производства синтетических жирных кислот в нефтехимической промышленности); Н
с
и Н
в
— неочищенные технического назначения, используемые обычно при изготовлении спичек и товаров бытовой химии (Н
с
), либо в производстве а-оле-финов (Н
в
). Чистый парафин представляет собой белую воскоподобную массу кристаллического строения. Температура плавления нефтяных парафинов в зависимости от степени их очистки изменяется в пределах 42—62 °С. Плотность парафинов при 15 °С изменяется от 881—905 (у неочищенных) до 907—915 кг/м
3
(у очищенных). Некоторые свойства парафинов приведены в табл. 5.4.
Для модельных составов применяют обычно очищенный технй-ческий белый парафин, содержащий не более 2,3 % масла, поставляемый в виде плиток массой 8—12 кг. В целях повышения теплоустойчивости и прочности модельных составов предпочтительно использовать высокоплавкий глубокообезмасленный парафин. Однако для придания составу большей пластичности а ряде случаев применяют спичечный парафин, содержащий до 5 % масла. Парафин практически нерастворим в связующих растворах этилсиликата, слабо растворим в абсолютном спирте, хорошо растворим в эфире, беязолв, сероуглероде. Зольность парафина не превышает 0,1 % по массе. Парафин — один из наиболее дешевых и недефицитных компонентов выплавляемых модельных составов, однако он размягчается при температуре ~30 °С, хрупок, имеет низкую прочность, склонен к вспениванию в расплавленном состоянии и к образованию усадочных раковин при затвердевании, в.том числе — поверхностных (утяжин), вследствие чего его используют при изготовлении моделей в смеси с другими материалами.
Церезин — смесь твердых углеводородов предельного (метанового) ряда, получают кислотно-контактной очисткой нефтяного неочищенного церезина, парафинистой пробки или их смеси. Церезин представляет собой однородную массу белого или желтого цвета, не имеющую запаха, без заметных механических примесей, по внешнему виду напоминающую воск. В отличие от крупнокристаллического парафина чистый церезин состоит из мельчайших кристаллов игольчатой формы. Товарный церезин выпускают по.
Норма для марок
Показатель | Высокоочищенные | Очищенные | Неочи. щенные | |||||||||
П-1 | П-2 | П-3 | в, | в 2 | Вз | В 4 | в„ | т | с | н с | н в | |
Внешний. вид | Кристаллическая масса белого | цвета | Кристал. лическая. масса. белого. цвета,. допу. скается. желто. ватый. оттенок | Кристаллическая масса от светло-, желтого до светло-коричневого цвета | ||||||||
Т пл. °С,. не ниже | 54 | 52 | 50 | 50-. 52 | 52—. 54 | 54—. 56 | 56—. 58 | 58-. 62 | 50 | 45—. 52 | 42 | 57 |
Массовая доля масла, %, не более | 0,45 | 0,9 | 2,0 | 0,8 | 0,45 | 0,45 | 0,45 | 0,5 | 2,3 | 2,2 | 5,0 | 2,3 |
Глубина проникновения иглы при 25°С и массе груза 100 г, мм, не более | 18 | 16 | 14 | 13 | 12 | |||||||
ГОСТ 2488—79 четырех марок: 65, 70, 75 и 80. Марка церезина характеризует температуру его каплепадения (65—70 °С для марки 65, 70—75 °С для марки 70, 75—80 °С для марки 75 и 80—85 °С для марки 80). В соответствии с указанным стандартом для всех марок установлены следующие требования: отсутствие воды, а также водорастворимых кислот и щелочей; не более 0,02 % массовой доли механических примесей, не более 0,02 % массовой доли золы; кислотное число — не более 0,1 мг КОН на 1 г церезина. Церезин не должен, содержать летучих компонентов, температура кипения его выше 400 °С, а температура вспышки 260 °С. Церезины разных марок существенно различаются по твердости. Твердость, определенная, как и для парафина (по ГОСТ 23683—79, п. 5.7), по глубине проникновения иглы на лабораторном пинетрометре ЛП-1 (ГОСТ 1440—78), изменяется от 1,6 мм для марки 80 до 3 мм для марки 65 (не более указанных значений).
Церезин синтетический высокоплавкяй в соответствии с ГОСТ 7658—74 выпускают четырех марок: конденсаторный, 100, 93 и 90. Более тугоплавкий синтетический церезин получил в последнее время наибольшее применение в модельных составах.
Церезин имеет более высокую по сравнению с парафином температуру начала размягчения, менее склонен к деформации. Например,коНсольно закрепленные в горизонтальном положении образцы диаметром 6 мм и длиной 50 мм, выполненные из церезина марки 80, имели при температуре 20—25 °С прогиб в 20—30 раз меньший, чем такие же образцы из парафина. Церезин не вступает во взаимодействие с гидролизованным раствором этилсиликата. Зольность церезина не превышает 0,03 %, плотность 910—940 кг/м
3
. К недостаткам церезина относятся его сравнительно невысокие прочность и твердость, малая пластичность, значительная линейная усадка (до 3,5 %).
Буроугольный воск (монтан-воск, монтанит, горный воск) — смесь сложных углеводородов, получают из битуминозного бурого угля. Вначале обрабатывают бурый уголь растворителем, затем отгоняют последний, в результате чего остается буроугольный воск, в состав которого входят воскообразные, смоляные и асфальтообразные вещества. В зависимости от природы исходного бурого угля, применяемого растворителя, а также особенностей процесса экстракции и дальнейшей обработки воска свойства его могут изменяться в значительных^пределах.
Восковая кристаллическая основа обеспечивает хорошие механические свойства и способность воспроизводить в моделях глянцевую поверхность пресс-форм, примеси повышают прочность и теплоустойчивость. Буроугольный воск хорошо сплавляется с парафином, церезином, торфяным и некоторыми синтетическими восками, не взаимодействует с гидролизованными растворами этилсиликата. Отечественная промышленность по ТУ 39-01-232—76 поставляет воск, получаемый из бурых углей Южно-Уральского месторождения. Групповой состав буроугольного воска, % по массе: 82,5 вос-ков; 8,6 парафинов, 6,8 масел; 2,1 асфальтенов. Зольность буроугольных восков ~0,1 %, температура каплепадения (ГОСТ 6793—74) 88—89 °С, число омыления 100 мг КОН/г (ГОСТ 21749—76), кислотное число 32 мг КОН/г (ГОСТ 5985—79).
Торфяной воск — сложная смесь углеводородов и некоторых их производных. Электронограммы составляющих торфяного воска показывают, что кристаллическая часть его состоит из воска и парафинов, а аморфная включает асфальтены и масла. Торфяной воск (битум), производимый на заводе горного воска (Минская обл., БССР), содержит ~56 % восков, 23 % парафинов, 20 % масел и до 1 % асфальтенов. Температура плавления его не менее 70 °С, он хорошо сплавляется с парафином, церезином, буроугольным воском. Асфальтены, содержащиеся как в торфяном, так и в буроугольном воске, при нагреве не размягчаются, а набухают, выделяют газообразные продукты и спекаются. При наличии асфальтенов в восках повышается твердость и хрупкость последних. Ввиду дефицитности торфяного воска применение его в модельных составах ограничено.
Стеарин — смесь твердых жирных кислот. Основа его — стеариновая кислота, а в качестве примесей содержатся преимущественно пальметиновая и олеиновая кислоты. Стеариновая кислота СН
3
(СН
2
)
1в
СООН — насыщенная одноосновная жирная кислота,.
представляет собой бесцветную кристаллическую массу с температурой плавления 69,6 °С, растворимую в органических растворителях. Получают стеарин из животных жиров, а также из гидрированных растительных масел расщеплением их на жирные кислоты и глицерин с последующей дистилляцией жирных кислот либо без нее. Для изготовления моделей применяют обычно дистиллированный стеарин первого и второго сортов.
Стеарин как компонент модельных составов обладает следующими существенными недостатками: склонностью к взаимодействию к гидролизованным раствором этилсиликата, что приводит к образованию дефектов на поверхности отливок; омылением при выплавлении в горячей воде. Кроме того, стоимость стеарина высока и он дефицитен, так как получается из пищевых продуктов. Поэтому составы со стеарином не могут быть рекомендованы. Их заменяют составами на основе парафина с церезином, буроугольным воском, синтетическими восками и другими компонентами, например ПЦБКо 70-12-13-5 (Р-3), ИПЛ-2, МВС-19А.
Канифоль (гарпиус) — твердая составная часть смолистых веществ хвойных деревьев, содержит 80—95 % смоляных кислот (общая формула С
19
Н
29
СООН), остальное — нейтральные неомыляе- мые вещества. Представляет собой хрупкое стекловидное вещество плотностью 1007—1085 кг/м
3
, меняющее цвет в зависимости от состава и метода обработки от светло-желтого (почти бесцветного) до темно-бурого. При нагреве в интервале температур 52—70 °С канифоль размягчается. Она нерастворима в воде, но хорошо растворяется в эфире, спирте, ацетоне, скипидаре, бензоле, жирных маслах. Для модельных составов используют обычно сосновую канифоль высшего и первого сортов (ГОСТ 19113—73) зольностью не более 0,04 % и с температурой размягчения не менее 66 °С. Сосновую канифоль получают либо после отгонки с водяным паром летучей части сосновой смолы (живичная канифоль), либо непосредственным извлечением (экстракцией) бензином из сосновой смолы (экстракционная канифоль). В модельных составах канифоль применяют обычно в сочетании с парафином, церезином, полистиролом, полиэтиленом.
Карбамид СО (NH
2
)
2
или полный амид угольной кислаггы (техническая мочевина) — кристаллический, хорошо растворимый в воде материал белого или светло-желтого цвета (плотность 1335 кг/м
3
). Получают карбамид нагревом аммиака и углекислого газа до 150 °С при давлении до 45 МПа.
Карбамид плавится при температуре 129—134 °С и в расплавленном состоянии обладает высокой жидкотекучесгъю; хорошо заполняет полости форм без применения давления. Быстро охлаждаясь в металлической пресс-форме, карбамид затвердевает, образуя прочную и точную (ввиду незначительной усадки) модель с гладкой поверхностью. Ценным технологическим свойством карбамида является то, что при нагреве он не имеет стадии размягчения, поэтому модели; и стержни из карбамида не деформируются при повышении температуры до 100 °С, например, при заливке удаляемых растворением в воде карбамидных стержней воскообразными модельными составами.
На основе парафина (при выполнении в моделях сложных, изогнутых или расширяющихся полостей).
Карбамид (ГОСТ 2081—75) выпускают двух марок: А — для промышленности и животноводства, Б — для сельского хозяйства. Для моделей рекомендуется продукт марки А, поставляемый в виде кристаллов или гранул белого цвета, содержащих, % по массе: не менее 46,3 азота, в пересчете на сухое вещество, не более 0,6 биу-рета; 0,01—0,02 свободного аммиака, ие более 0,2 воды и не более 0,005 нерастворимых в воде веществ.
Азотные и азотнокислые соли щелочных металлов— нитраты и нитриты калия и натрия — используют в некоторых водорастворимых модельных составах.
Нитрат натрия NaN0
3
(натриевая, или чилийская, селитра) — кристаллическое вещество плотностью -—2100 кг/м
3
, с температурой плавления 308 °С. При нагреве вышеэтой температуры разлагается сначала с выделением нитрата натрия NaN0
2
, а затем с выделением азота и образованием Na
2
0. Натуральная селитра имеет примеси других солей (NaCl, Na
2
S0
4
); легко растворяется в воде. Натриевую селитру получают главным образом синтетически, нейтрализацией азотной кислоты.
Нитрат калия KNO
s
(калиевая селитра) — кристаллическое вещество плотностью 1900—2100 кг/м
3
, с температурой плавления 339 °С. При нагреве выше этой температуры выделяется кислород и происходит образование нитрита калия KN0
2
, дальнейший нагрев до более высоких температур приводит к разложению соли с выделением азота. Нитрат калия хорошо растворяется в воде, особенно в горячей. В природе встречается обычно в смеси с другими солями. Получают его в большинстве случаев искусственно из нитрата иатрия.
Полистирол — синтетический термопластический материал. получаемый полимеризацией стирола (С
2
Н
5
—СН—СН
2
). В зависимости от методов изготовления различают блочный и эмульсионный полистиролы. Для изготовления модельных составов следует применять блочный полистирол отличающийся большой чистовой и малой зольностью (~0,04 %), значительно меньшей, чем у эмульсионного (0,48 %).
Полистирол (ГОСТ 20282—74) имеет аморфную структуру, бесцветен, обладает практически абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью к кислотам и щелочам, нерастворим в спиртах и бензине, растворим в ароматических углеводородах и многих эфирах. При обычной температуре полистирол представляет собой твердое упругое вещество плотностью 1050—1070 кг/м
3
. Теплостойкость его (обычно 70—80 °С) значительно снижается с увеличением содержания мономера (стирола). Низкомолекулярные полимеры малопрочны и хрупки, но по мере увеличения степени полимеризации возрастает их прочность и снижается хрупкость.
Преимущество низкомолекулярных полистиролов в том, что при нагреве они легко переходят в вязкую жидкость. Это позволяет отливать модели из низкомолекулярного полистирола без применения высокого давления и значительного перегрева. Высокомолекулярные полистиролы при нагреве не плавятся, а при температуре 80—150 °С переходят в высокоэластичное, каучукоподобное состояние. Модели из полистирола и составов на его основе можно изготовлять на специальных литьевых машинах (например термопластовых машинах) при температуре 180—230 °С и давлении 50— 200 МПа.
Полистирол для вспенивания — синтетический полимерный материал в виде шаровидных бесцветных или мутнобелых гранул диаметром от 0,1 до 4—5 мм. Каждая гранула состоит из множества замкнутых ячеек, заполненных порообразователем — легко испаряющейся жидкостью (обычно изопентаном). В процессе нагрева при 80—90 °С полистирольная основа гранул размягчается, а изопентан, имеющий температуру кипения ~28°С, превращаясь в пар оказывает давление на пластифицированную оболочку ячеек, и гранулы вспениваются, значительно увеличивая свой объем.
По технологии, применяемой на Охтинском НПО «Пластполимёр», гранулы полистирола для вспенивания получают беспрессовым методом вводя изопентан в процессе суспензионной полимеризации стирола. Свойства полученного продукта во многом зависят от молекулярной массы полимера (она может изменяться в пределах 30 000— 60 000), количества введенного изопентана (обычно 3—5 %) и количества остаточного мономера, которое стараются ограничить 0,1—0,35 %, так как стирол токсичен, а при содержании в гранулах более 0,5 % он вызывает их слипание. Для изготовления литейных моделей, в соответствии с ТУ 6-05-1650—73 выпускается полистирол суспензионный для вспенивания, литейный (ПСВ-Л). Специально для отливки пенополистироловых моделей под давлением в Охтинском НПО «Лластгголимер» разработан полистирол марки ПСВ-ЛД (ТУ 6-05-05-148—81).
Полиэтилен — синтетический полимер, состав которого соответствует общей формуле [(-‘CHj—CHj—)]*• П
<ш#тйЛ1й —>
твердое однородное, полупрозрачное бесцветное Вещество, еШбй* щее из кристаллической и аморфной фаз. Прн быстром охлаЩёййй расплава полиэтилена он полностью переходит в аморфное со6?Ьй* ниё^ становится мягким, приобретая Вязкость прй обычны* температурах. Аморфное состояние полиэтилена весьма неустойчиво, я Вй кристаллизуется, не переходя, однакЬ, полностью В Кристаллическое Состояние. Кристаллическая фаза в полиэтилене Определяет его твердость и теплостойкость, а присутствие аморфной фаВЫ Придает ему свойство высокой эластичности.
Обычный высокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой до 35 000 имеет температуру плавления 110—130 °С в зависимости от метода получения. Он тверд и прочен, эластичен, устойчив против деформации при температуре до 90 °С, стоек к воздействию влаги, зольность его не превышает 0,08 %, плотность 920—950 кг/м*. Полиэтилен устойчив к действию щелочей, соляной и органических кислот, не взаимодействует с гидролизованными растворами этил-силиката, дещев. При температуре выше 80 °С растворяется в углеводородах. Процесс полимеризации этилена (Н
а
С = СН?) может быть осуществлен при высоком (до 250 МПа) и низком давлениях. Соответственно различают полиэтилены высокого давления (ГОСТ 16337—77 Е) и низкого (ГОСТ 16338—77). Существенные недостатки полиэтилена — значительная линейная усадка (до 4 %) и сравнительно высокая вязкость в расплавленном состоянии.
В последние годы получили применение так называемые полиэтиленовые воски, как улучшающие добавки в выплавляемые модельные составы, например, на основе парафина (МВС-15 и др.). Полиэтиленовые воски представляют собой низкомолекулярные полиэтилены (молекулярная масса 2000—3000), получаемые термической деструкцией полиэтилена высокого давления, имеют температуру плавления 95—110°С, отличаются малой зольностью. Свойства некоторых полиэтиленовых восков, поставляемых в соответствии с ТУ 6-05-1516—72, приведены в табл. 5.5.
.
Таблица 5.5.
Свойства некоторых полиэтиленовых восков
Полиэти. леновый. воск | Температура кап-лепаде-ния по Уббелоде, °С | Вязкость при 140°С, сП | Твердость по пенетре-метру, мм прн 25 °С | Плотность при 20 °С, кг/м 8 | Зольность, % | Кислотное число, мг КОН/г | Теплостойкость,. °С | Свободная линейная усадка,. I % | Предел прочности при изгибе, МПа |
ПВ 10 | 80 | 7—17 | 1,0 | 850 | 0,018 | 50 | 0,96 | 2,95 | |
ПВ 200 | 103—105 | 200—250 | 0,3 | 880 | 0,01 | 0,08 | 85 | 2,6 | 7,8 |
ПВ 300 | 105—108 | 300—350 | 0,03 | 920 | 0,01 | 0,09 | 88- | 2,5 | 7,9- |
ПВ 1000 | 112—115 | 950—1000 | 0,01 | 950 | 0,01 | 0,08 | 90 | 2,5 | 7,9 |