Классификация выплавляемых модельных составов для точного литья

УДК 621.74.045

В цехах, производящих литьё методом выплавляемых моделей, для изготовления моделей используют выплавляемый модельный состав (составы) с определённым комплек­сом свойств, обеспечивающих требуемое качество отливок в условиях конкретного производства.

В цехах крупносерийного и массового производства мелкого и среднего литья, как правило, используют одну марку модельного состава. В цехах мелкосерийного и серийного производства, при производстве отливок массой от нескольких граммов до десятков килограммов, зачастую, использование модельного состава одной марки становится весьма проблематичным. Как правило, это связано с тем, что, требова­ния к свойствам модельного состава, используемого для изготовления моделей отливок различной номенклатуры, могут быть настолько различными, что их сочетания в одном модельном составе дос­тичь не возможно, либо такой “единый” модельный состав будет иметь неоправданно-высокую стоимость. Поэтому, использование нескольких марок модельных составов в одном цехе явление не редкое и оправданное. При этом количество одновременно используемых марок модельных составов может доходить до 5-ти и более. Следует отметить, что для достижения требуемого качества моделей, зачастую, непосредственно в цехе, в модельный состав дополнительно вводят не только определённые компоненты (петролатум, церезин, триэтаноламин, наполнители и др.), но и смешивают между собой модельные составы разных марок.

Необходимость использования в одном цехе нескольких марок модельных составов диктуется различными обстоятельствами. В качестве примера можно привести ситуацию, когда в цехе изготавливают модели на установках различного типа. Напри­мер, для изготовления мелких моделей в цехе используют автоматы карусельного типа (мод. 61201А), а для изготовления крупных, относительно толстостенных, моделей отливок используют пневматический (стендовый) пресс или шприц-машину мод. 659А. Для изготовления моделей на пневматическом прессе, по своим технологическим свойствам (продолжительное затвердевание в пресс-форме, высокая пластичность, низкая твёрдость) наиболее приемлемыми являются парафиностеари­новые составы. В то же время данные составы по показателям тех же свойств оказываются непригодными для использования в автоматах карусельного типа, для которых наиболее приемлемым является модельный состав типа Р-3, КС-5Р, КС-5А и т.п.

Помимо вышеописанного случая, к числу причин, вызывающих необходимость использования в цехе нескольких марок модельных составов, относятся: значительная неоднородность номенклатуры отливок (по толщине стенок, габаритным размерам, массе и др.); использование различных способов сборки моделей (например, способа пайки для воскоподобных  модельных составов и способа склеивания для модельных составов на основе смол); существенные различия в требованиях к качеству моделей отли­вок (например, для отливок товаров широкого потребления и отливок специального назначения); снижение затрат на дорогостоящий модельный состав одноразового применения (например, путём изготовления моделей отливок из дорогостоящего, высокотехнологичного модельного состава и изготовление моделей литниково-питающих систем из менее дорогостоящего и менее технологичного модельного состава); использование пресс-форм, размеры рабочих полостей которых рассчитаны исходя из различной величины усадки модельного состава; значительные годовые изменения температуры воздуха в отделениях изготовления моделей и керамических оболочек и т.п.

Известные марки модельных составов обладают достаточно разнообразными свойствами и разработаны для различной номенклатуры и условий производства литья. Выбор той или иной марки модельного состава проводят исходя из конкретных условий и серийности производства, оборудования и используемой оснастки, номенклатуры и требований к качеству литья и т.п. То есть, выбор конкретной марки модельного состава проводят на основе определённого комплекса требований к его свойствам, ранжированных по уровню значимости.

 Проводя поиск требуемого модельного состава, важно знать к какому классу относится искомый модельный состав, поскольку данная информация существенно сокращает и облегчает процесс поиска.

В зависимости от принятой в цехе технологии, выплавляемые модели изготавливают из пастообразного, твёрдого или жидкого состояния модельного состава. В настоящее время, подавляющее количество моделей получают путём запрессовки пастообразного модельного состава в пресс-форму, значительно реже модели изготавливают из твёрдого модельного состава, путём его механической обработки из литой заготовки, и крайне редко для изготовления выплавляемых моделей используют жидкий модельный состав, свободно заливаемый или запрессовываемый под давлением в пресс-форму.

В настоящей работе представлена классификация выплавляемых модельных составов, используемых для получения монолитных моделей методом запрессовки пастообразного модельного состава в пресс-формы. Данная классификация основана на следующих признаках модельных составов: природа материала-основы модельного состава (группа); вид наполнителя, присутствующего в пастообразном модельном составе (подгруппа); температура  запрессовки пастообразного модельного состава в пресс-форму (тип); величина коэффициента свободной линейной усадки модельного состава (разряд). Классификация выплавляемых модельных составов, наиболее используемых и известных в настоящее время, по вышеприведенным признакам приведена в табл. 1…4.

Таблица 1. Классификация выплавляемых модельных составов по материалу-основе                                                                                                                   

Таблица 2. Классификация выплавляемых модельных составов по применяемому наполнителю

Используя четыре вышеуказанных классификационных признака, все наиболее известные выплавляемые модельные составы можно объединить в классы, в обозначении которых первая цифра соответствует группе модельного состава (см. табл. 1), вторая цифра – подгруппе (см. табл. 2), буква – типу (см. табл.3), последняя цифра – разряд (см. табл. 4). Например, к классу 12А1 относятся модельные составы, изготовленные на основе парафина или церезина, содержащие в пастообразном состоянии воздух, запрессовываемые в пресс-формы при температуре менее 54⁰С и имеющие величину свободной линейной усадки менее 0,85%.

Следует отметить, что воздухонаполненные модельные составы (подгруппа 2), преимущественно, используют для изготовления отливок общего машиностроения с шероховатостью литой поверхности близкой, но не ниже 20 мкм, все остальные модельные составы ориентированы для получения отливок с шероховатостью поверхности близкой к 1,25 мкм. То есть, все модельные составы, кроме модельных составов подгруппы 2, предназначены, в основном, для изготовления моделей отливок с высокой чистотой литой поверхности. Кроме этого, при всех прочих равных условиях, наибольшую стабильность размеров и массы отливок обеспечивают модельные составы, имеющие наименьший коэффициент термического расширения или наименьший коэффициент свободной линейной усадки (разряд 1).

Класс 12А1. Основу модельных составов данного класса составляет парафиностеариновый сплав. Составы наиболее известных парафиностеариновых модельных составов и их свойства приведены в табл. 5 и табл. 6, соответственно.

Таблица 5. Модельные составы класса 12А1

Таблица 6. Свойства модельных составов класса 12А1

Примечание. s_И – предел прочности при статическом изгибе при 18…20 ⁰С (не менее); a - свободная линейная усадка при отсутствии воздуха в модельном составе; t_Т – теплоустойчивость (не менее); М_З – зольность или массовая доля золы (не более), Dt_П – температурный интервал пастообразного состояния модельного состава; t_К – температура каплепадения по Уббелоде.

Одними из первых модельных составов, нашедших применение в промышленных условиях производства моделей, были двухкомпонентные парафиностеариновые составы (ПС) с содержанием парафина от 50% до 70% (по массе). Данные составы характеризуются высокой текучестью, пластичностью, низкой твёрдостью и величиной усадки, что позволяет запрессовывать их при невысоком давлении (до 0,2 МПа), используя пневматические, гидравлические, рычажные прессы или ручные шприцы.

Как правило, подготовка составов типа ПС к прессованию состоит в замешивании в жидкий ПС расплав его мелкой стружки либо понижении температуры жидкого состава до 42…47 ⁰С и его непрерывном перемешивании при постоянном охлаждении, до получения однородной пастообразной массы. В процессе перемешивания и охлаждения, в пастообразный состав, не произвольно, в виде мелких пузырьков, замешивается определённое количество воздуха (6…10 % по объёму).

Наличие воздуха в модельном составе способствует снижению величины свободной линейной усадки моделей до 0,20…0,35 %.  Поскольку температура подготовленного к запрессовке пастообразного состава типа ПС находится в пределах 42…47 ⁰С (предельная температура 54 ⁰С), то, в отсутствии механизации, его можно вымешивать руками, не используя индивидуальные средства защиты от ожогов.

На предприятиях, выпускающих тонкостенное литье или использующих автоматизированные пресс-формы, использование модельных составов типа ПС оказалось невозможным. Это связано во-первых, с низкой скоростью затвердевания и охлаждения моделей, приводящей к деформации тонкостенных моделей, во-вторых, из-за недостаточной прочности модельного состава, приводящей к массовому браку моделей по поломкам  в процессе выталкивания моделей толкателями из рабочих полостей автоматизированных пресс-форм, а так же при нанесении огнеупорного покрытия на модельные блоки на автоматических линиях. Кроме этого, низкая теплоустойчивость модельных составов типа ПС не обеспечивает требуемой точности формы модели в летний период, а невозможность повышения давления запрессовки воздухонаполненного, пастообразного модельного состава, не обеспечивает требуемую чистоту поверхности отливки.

Стремление повысить теплопроводность, прочность и теплоустойчивость составов типа ПС привело к их дополнительному “легированию” более тугоплавкими и твердыми материалами органического происхождения. Из числа наиболее известных тугоплавких и твёрдых материалов, наибольшее распространение получили: этилцеллюлоза, буроугольный воск, церезин, канифоль, полиэтиленовый воск. Использование в составах типа ПС данных материалов, повысило их прочность и теплоустойчивость, однако не позволило, в полном объеме, решить возникшую  проблему.

Кроме этого, существенным недостатком составов типа ПС, является омыление стеарина, происходящее в процессе выплавки модельного состава из керамических оболочек в воде и являющееся причиной ухудшения качества поверхности отливок. Дело в том, что при контакте с водой, стеарин модельного состава, взаимодействуя с ионами натрия и калия, присутствующими в воде,   образует химическое соединение – стеарат натрия или калия (мыло). Образовавшееся, в процессе выплавки модельного состава мыло, частично оседает на рабочей поверхности керамической оболочки, обезвоживается при прокаливании, но не удаляется с поверхности керамической оболочки. В результате, в местах скопления мыла,  поверхность отливок, приобретает повышенную шероховатость, а на поверхностях стальных отливок может образоваться химический пригар.

Следует отметить, что низкая твёрдость и теплопроводность модельных составов типа ПС, в определённых условиях получения моделей, играют положительную роль. Уровень указанных свойств, совершенно неприемлемый для производства моделей на автоматизированных пресс-формах, тем не менее, позволяет получать крупногабаритные толстостенные модели с удовлетворительным качеством поверхности на ручных или механизированных пресс-формах. Дело в том, что при относительно невысокой, массовой скорости поступления модельного состава в рабочую полость пресс-формы толстостенной модели в процессе запрессовки, высокотеплопроводные модельные составы успевают потерять текучесть. В результате, на поверхности модели образуется множество спаек и раковин. В то же время, низкотеплопроводные, пластичные модельные составы типа ПС, к моменту окончания заполнения пресс-формы модельным составом, сохраняют свою текучесть, что позволяет получать толстостенные модели с достаточно высокой чистотой поверхности, без дефектов.

В настоящее время модельные составы типа ПС используют ограниченно, в основном на  предприятиях с небольшим объёмом выпуска литья из легкоплавких цветных сплавов, либо массивное стальное литьё, либо мелкое литьё для товаров широкого потребления. Составы типа ПС, как правило, изготавливают непосредственно в литейных цехах, используя для этого стеарин и парафин технической чистоты.

Классы 12В1 и 12В3.  Модельные составы типа ПС широко использовались в начальном периоде промышленного освоения производства литья по выплавляемым моделям. С развитием механизации и автоматизации производства литья, расширением номенклатуры отливок и повышением требований к ним, соответственно, возросли и требования к свойствам модельных составов. От модельных составов потребовалось повышение точности формы, прочности, теплоустойчивости, теплопроводности, твёрдости и т.п.

В связи с этим были разработаны бесстеариновые модельные составы. Наиболее широко известными, ранее применяемыми и централизовано производимыми были модельные составы марок Р-3 (класс 12В-1), МВС-15 и МВС-3А (класс 12В3), ориентированные для изготовление моделей на автоматах карусельного типа, полуавтоматических линиях и других запрессовочных устройствах, использующих автоматизированные пресс-формы и развивающих давление прессования до 0,2 МПа.

Использование модельных составов данных классов для изготовления моделей с использованием ручных шприцов, пневматических, гидравлических и рычажных прессов - ограничено, что связано с их относительно низкой текучестью и пластичностью в пастообразном состоянии, повышенной скоростью затвердевания и охлаждения.

В отличие от парафиностеариновых составов, модельные составы данных классов обладают более высокой твердостью, теплоустойчивостью и прочностью, не склонны к омыливанию при выплавке в воде с водородным показателем рН£5. Температура запрессовки модельных составов находится в пределах 54…65 ⁰С, что не позволяет проводить подготовку (вымешивание) этих модельных составов к запрессовке, незащищёнными от ожогов, руками.

Основным компонентом модельных составов данных классов является парафин, в отдельных случаях - синтетический церезин. Для придания материалу-основе модельного состава определённого комплекса физических и технологических свойств, в него дополнительно вводят минеральные воски (буроугольный, торфяной), шеллачный, сибирский, полиэтиленовый воск или полиэтилен высокого давления, канифоль (сосновую, талловую) или сосновую смолу, кубовый остаток термического крекинга парафина, сложные эфиры высших кислот, сополимеры и т.п. За рубежом в число компонентов модельных составов данного класса входят натуральные воски (пчелиный, карнаубский, кандилльский, рисовый и др.).

Содержание компонентов в некоторых модельных составах классов 12В1 и 12В3 и их свойства приведены в табл. 7 и табл. 8, соответственно.                                                                                               

Таблица 7. Модельные составы класса 12В1 и 12В3

Таблица 8. Свойства модельных составов класса 12В1 и 12В3

В настоящее время, по ряду причин, выпуск модельных составов марок Р-3, МВС-15 и МВС-3А прекращён. Взамен модельного состава марки Р-3 производятся модельные составы марок: КС-5Р, КС-5А, КС-3 (ЧНПП “Карион-Сервис”, Украина); К-2, К-2М(а), К-2М(о) (Завод Горного Воска, Беларусь); состав ПЦБ 56-32-12 (Россия).  Взамен модельных составов марок МВС-15 и МВС-3А производятся модельные составы марок: Велен-1 (ООО “Велен”, Украина); Салют-1 (ММПП “Салют”, Россия); МС-В (НЗСП, Россия) и др.

Свойства модельных составов, производимых, в настоящее время, централизовано, приведены в табл.9 и табл. 10.

Таблица 9. Свойства модельных составов класса 12В1

Таблица 10. Свойства модельных составов класса 12В3

Преимущественно, модели из модельных составов данных классов изготавливают из пастообразного модельного состава, с замешиванием в него строго дозированного количества воздуха. Замешивание в пастообразный модельный состав воздуха проводят в процессе его подготовки к запрессовке в пресс-формы. Основная цель замешивания воздуха - снижение величины усадки моделей и предупреждение образования в них утяжин. Количество замешиваемого воздуха в составах класса 12В1 составляет от 13% до 18% (оптимальное содержание – 16…18%) по объёму, а в модельных составах  класса 12В3 - 20…27%. По сути, воздух, замешанный в модельный состав, является его газообразным наполнителем. Присутствие воздуха в модельных составах способствует  стабилизации размерной точности моделей и снижению расхода модельного состава на изготовление моделей. Необходимо отметить, что воздухонаполненные модели, в процессе выплавления модельного состава из керамических оболочек, оказывают на них значительно меньшее силовое воздействие, чем модели из модельного состава, не содержащего воздух. В свою очередь, понижение силового воздействия модели на керамическую оболочку, предупреждает разрушение керамической оболочки в процессе выплавления из неё модельного состава.

В пределах одного класса, модельные составы разных марок, могут существенно различаться физическими и технологическими свойствами. Например, состав КС-5А, наряду с высокой прочностью, имеет небольшую усадку, достаточно высокую теплоустойчивость и весьма низкую склонность к образованию утяжин в моделях, что особенно важно при производстве моделей в летнее время (в условиях повышенной температуры воздуха в цехе). В то же время модельный состав КС-3, имея невысокую теплоустойчивость, прочность и твёрдость, обладает большой пластичностью и вязкостью, и ориентирован для использования в цехах с нерегулируемой температурой воздуха в отделениях изготовления моделей и нанесения огнеупорного покрытия на модельные блоки, в зимнее время.

Наибольшую усадку и  склонность к образованию утяжин в моделях, из числа вышеописанных модельных составов, имеют составы класса 12В3 (МВС-15, МВС-3А и т.п.). Несомненным достоинством модельных составов типа МВС (см. табл. 8) является их высокая прочность, жёсткость, теплоустойчивость, текучесть и химическая устойчивость по отношению к гидролизованному этилсиликату и воде, используемой при выплавлении модельного состава из керамических оболочек. Эти положительные качества достигаются за счёт использования в модельных составах синтетического, высокоплавкого церезина и полиэтиленового воска. При использовании в модельных составах церезина нефтяного происхождения взамен синтетического, в некоторых случаях, в модельный состав, дополнительно вводят сополимер этилена и винилацетата, в количестве 7…15% (по массе). Например, в модельном составе может содержаться: 52…60% парафина, 26…32% церезина марки 75 или 80, 7…12% сополимера, 6…7% полиэтиленового воска марки ПВ-200 или ПВ-300. Необходимо отметить, что использование церезина нефтяного происхождения в сочетании с полиэтиленом и сополимером способствует расслоению модельного состава при его длительной выдержке в жидком состоянии, без регулярного перемешивания.

Как было отмечено выше, для снижения усадки и предупреждения образования утяжин в моделях, в процессе подготовки пастообразных модельных составов типа МВС, содержание воздуха в них доводят до 25…27% (по объёму). Рыбкин В.А. и Костицын Е.М. рекомендуют увеличить содержание воздуха в модельных составах типа МВС до 40…50 %, при одновременном уменьшении размера воздушных пузырьков до 20…30 мкм. Достичь высокого содержания воздуха в модельном составе при указанном размере воздушных пузырьков позволяют быстроходные механические мешалки. Увеличение содержания воздуха в модельном составе позволяет снизить расход модельного состава на производство моделей, без заметного снижения качества моделей, и понизить силовое воздействие модели на керамическую оболочку в процессе выплавления из неё модельного состава. При этом необходимо учитывать, что насыщение модельного состава воздухом приводит к снижению абсолютной прочности моделей и увеличению времени затвердевания модельного состава в пресс-форме.

Первичные (исходные) модельные составы данных классов используют совместно с возвратом и без него. Практически для всех известных модельных составов характерным является повышение их технологических свойств, при использовании первичного модельного состава совместно с его возвратом. С увеличением доли возврата в первичном модельном составе, стабилизируется размерная точность моделей, понижается склонность модельного состава к образованию утяжин и трещин в моделях, модельный состав становится более однородным, текучим, пластичным, в моделях улучшается воспроизводимость контуров рабочих поверхностей пресс-формы.

Вероятной причиной таких изменений, по-видимому, является насыщение модельного состава продуктами его частичного окисления, происходящего в процессе технологического цикла подготовки модельного состава к запрессовке в пресс-формы и выплавки из керамических оболочек, а так же насыщения продуктами его взаимодействия с жидкими компонентами огнеупорной суспензии.

Доля возврата в первичном модельном составе, используемом для изготовления моделей отливок общемашиностроительного назначения, может достигать 70% (по массе). Для отливок товаров широкого потребления допустимо изготовление моделей из 100% возврата модельного состава. Следует отметить, что все воздухонаполненные модельные составы (подгруппа 2) запрессовывают в пресс-формы под давлением до 0,2 МПа. Данное ограничение вызвано тем, что при большем давлении запрессовки, воздух, замешанный в модельный состав, “раздувает” модель изнутри либо приводит к “вздутию” поверхности модели. В последнем случае, поверхность модели приобретает рельеф апельсиновой кожуры.

Класс 11В3. В отличие от модельных составов с узким (Dt_П<5 ⁰С ) и средним (5£Dt_П£12 ⁰С) температурным интервалом пастообразного состояния, “широкоинтервальные” (Dt_П>12 ⁰С) модельные составы, при запрессовке в пастообразном состоянии, воздухом не насыщают. Напротив, наличие воздуха в таких модельных составах крайне не желательно. Дело в том, что данный класс модельных составов используют, в частности, для получения сложных, тонкостенных (толщина стенок от 0,5 мм) моделей с высокой чистотой поверхности и размерной точностью, конструкция которых, нередко, предполагает использование тонкостенных керамических стержней.

Достичь высокого уровня чистоты поверхности модели, изготовленной из воздухонаполненного модельного состава, не представляется возможным, в связи с вынужденным ограничением давлением запрессовки по вышеописанным причинам. Кроме этого использование вакуумно-аммиачной сушки слоёв огнеупорного покрытия на модельном блоке, не позволяет использовать воздухонаполненные модели в связи с их разрушением или вздутием поверхности, в период создания вакуума в сушильной камере при сушке первого слоя огнеупорного покрытия. Поэтому, для обеспечения высокой чистоты поверхности моделей и обеспечения заполняемости пресс-форм, используют “широкоинтервальные” модельные составы, не содержащие воздуха в пастообразном состоянии.

В составах на основе парафина или церезина увеличения (расширения) температурного интервала пастообразного состояния достигают, в основном, за счёт ввода в них полимерных материалов (полиэтиленового воска, полиэтилена, сополимера этилена и винилацетата, полипропилена и т.п.). Кроме этого, в число компонентов данных модельных составов могут входить: смола нефтеполимерная, церезин нефтяной, воск буроугольный и др. Следует отметить, что использование в модельных составах, данного класса, полимерных материалов способствует не только расширению температурного интервала пастообразного состояния, увеличению прочности и теплоустойчивости модельного состава, но и повышает их линейную усадку, а так же склонность к образованию в моделях утяжин.

Свойства некоторых модельных составов класса 11В3 приведены в табл. 11.

Таблица 11. Свойства модельных составов класса 11В3

Класс 14В1. С целью снижения величины линейной усадки, в пастообразные модельные составы, не содержащие воздух, вводят твёрдый наполнитель. В качестве наполнителя используют, например, порошок карбамида, хлористого аммония, ультрадисперсный порошок полистирола или поливинилацетат целлюлозы (волокнистый наполнитель) и т.п.

Восковой основой (пластификатором) для модельных составов данного класса, как правило, служат модельные составы с широким температурным интервалом пастообразного состояния.

Свойства некоторых модельных составов  класса 14В1 приведены в табл. 12.

Таблица 12. Свойства некоторых модельных составов  класса 14В1

Применение твёрдого наполнителя в модельных составах данного класса, по сравнению с модельными составами класса 11В3,  позволяет значительно понизить величину свободной линейной усадки и незначительно снизить их склонность к образованию утяжин в моделях. Однако наличие наполнителя в модельном составе понижает его текучесть и увеличивает опасность разрушения тонких керамических стержней при запрессовке модельного состава в пресс-форму.

Необходимо отметить, что, как и у модельных составов типа ЗГВ (см. табл. 11), использование относительно больших количеств полимерных материалов, может приводить к расслоению модельного состава при его длительной выдержке в жидком состоянии, без регулярного перемешивания.

Модельные составы класса 14В1, в связи с наличием в их составе твёрдого наполнителя, практически не регенерируемы и, как правило, вторично не используются для изготовления моделей отливок.

Класс 21В2. Для предупреждения образования утяжин в моделях и обеспечения требуемого уровня точности формы, модельный состав должен обладать высокой теплопроводностью, твёрдостью и жёсткостью. Кроме этого, для обеспечения получения высокой чистоты поверхности моделей и предупреждения разрушения тонких керамических стержней при запрессовке модельного состава в пресс-форму, модельный состав должен иметь достаточно широкий интервал пастообразного состояния  и обладать хорошей текучестью.

К числу модельных составов, наиболее полно отвечающих вышеперечисленному комплексу требований, относятся  модельные составы класса 21В2, марок В-1, ВИАМ-102, RomontaPW (Германия) и др., изготовленные на основе минеральных восков природного происхождения (буроугольный, торфяной).  Составы данного класса, в основном, были разработаны для производства моделей отливок типа турбинных лопаток, где требуется высокая чистота поверхности, размерная точность и точность формы.

В отличие от модельных составов классов 12В3, 11В3 и 14В1, где увеличения температурного интервала пастообразного состояния достигают за счёт ввода в модельный состав полимерных материалов, в модельных составах на основе минеральных восков, увеличения данного параметра достигают за счёт введения триэтаноламина. Количеством вводимого в состав триэтаноламина, решают не только вопрос увеличения температурного интервала пастообразного состояния, но и регулирования твёрдости и пластичности модельного состава.

Содержание компонентов и свойства некоторых модельных сплавов  класса 21В2 приведены в табл. 13 и табл. 14, соответственно.

Таблица 13. Модельные составы класса 21В2

Таблица 14. Свойства модельных составовкласса 21В2

Использование триэтаноламина не увеличивает склонность модельных составов к образованию утяжин в моделях, хотя в полном объёме и не исключает её. Общим недостатком, для всех модельных составов, изготовленных на основе материалов природного происхождения, является нестабильность их технологических свойств, в частности, трещиноустойчивость и размерная точность. Дело в том, что свойства материалов природного происхождения находятся в прямой зависимости от достаточно большого числа непредсказуемых факторов природного происхождения. Например, свойства буроугольного и торфяного воска во многом зависят от их состава, в частности, от соотношения содержания в них восковой и смолистой составляющих, содержание которых, от партии к партии материалов, изменяется в довольно широких пределах.

Модельные составы класса 21В2 обладают низкой вязкостью в жидком состоянии, вследствие чего, становится возможным их повторное использование, после регенерации. Для особо ответственных отливок, работающих в узлах и агрегатах аэрокосмической техники, модели отливок изготавливают только из первичных модельных составов. В отдельных случаях допускается использование в первичном модельном составе до 50% возврата, прошедшего регенерацию.

В настоящее время, модельные составы В-1 и ВИАМ-102, по ряду причин, не производятся.

Класс 24В1. Как было отмечено выше, понизить усадку модельного состава, при всех прочих равных условиях, можно путём ввода в модельный состав твёрдого, нерастворимого в воскоподобной основе модельного состава, наполнителя.

В качестве твёрдых наполнителей модельных составов данного класса используют порошок карбамида (технической мочевины), уротропина (гексаметилентетрамина), синтетических смол (например, акриловой смолы), полистирола, хлористого аммония, фталимида, коллоидного грфита, сажи и др.

При выборе твердого наполнителя учитывают его плотность, гигроскопичность, зольность, фракционный состав, токсичность в исходном состоянии и при температуре прокаливания керамических оболочек, смачиваемость воскоподобной частью модельного состава (пластификатором) и др.

Соотношение плотностей наполнителя и пластификатора во многом предопределяет, как стабильность самого модельного состава, так и возможность его вторичного использования. Плотность воскоподобной части модельного состава (пластификатора) в расплавленном состоянии, как правило, находится в пределах от 0,75 до 0,88 г/см³, плотность при 20 ⁰С составляет от 0,9 до 1,0 г/см³. Если плотность материала наполнителя значительно больше плотности жидкого пластификатора, то такой наполнитель, после выплавки модельного состава из керамической оболочки, за время охлаждения жидкого пластификатора, осядет на дно бака-накопителя модельного состава. В результате модельный состав становится непригодным для повторного  использования (для изготовления моделей отливок). По этой же причине, в период подготовки модельного состава класса 24В1 к запрессовке в пресс-форму, недопустим чрезмерный нагрев жидкого модельного состава.

Выбрав тот или иной пластификатор, важно определить его количество в модельном составе. С точки зрения сохранения удовлетворительной текучести модельного состава, и существенного понижения, при этом, величины линейной усадки моделей, количество твёрдого наполнителя рекомендуется рассчитывать по эмпирическому уравнению, % (по массе):

М_Н = 30 ×r_Н/r_П

где: r_Н и r_П – плотность материала наполнителя и пластификатора модельного состава при 20 ⁰С, соответственно, г/см³.

Приготовление модельных составов класса 24В1 проводят непосредственно в литейном цехе, как правило, в электропечах ёмкостью до 0,05 м³, оснащённых механической мешалкой с малым числом оборотов.

На отечественных предприятиях, из числа твёрдых наполнителей, наибольшее распространение получил карбамид (NH₂CONH₂), как наиболее дешёвый и недефицитный материал. Плотность карбамида при 20 ⁰С составляет ~1,335 г/см³.

Например, для приготовления модельного состава класса 24В1 в модельный состав марки ВИАМ –102 вводят  до 45% (по массе) порошка карбамида. Наличие достаточно большого количества твёрдого наполнителя в модельном составе позволяет существенно уменьшить его линейную усадку, склонность к короблению моделей и повысить прочность и трещиноустойчивость. Тем не менее, использование твёрдого наполнителя в модельном составе требует не только повышения давления запрессовки модельного состава, но и увеличения температуры запрессовки, что не позволяет полностью избежать образования в моделях утяжин.

Существенным недостатком карбамида, как наполнителя модельных составов является его гигроскопичность. Использование недостаточно высушенного карбамида в модельном составе ухудшает качество поверхности моделей и, соответственно, отливок. Кроме этого  длительное хранение моделей, приводит к высаливанию карбамида на поверхности моделей. Высаливание карбамида происходит в результате его взаимодействия с влагой воздуха. Появление кристалликов карбамида на поверхности модели, в последствии, приводит к химическому взаимодействию карбамида с компонентами огнеупорной суспензии, и понижению качества поверхности отливки. Кроме этого карбамид обладает более высокой плотностью, чем жидкая воскоподобная часть модельного состава, и ограниченно растворяется в ней с образованием смолоподобных соединений (биурета) [1].

Плотность биурета несколько выше плотности воскоподобной части модельного состава. Поэтому, в процессе длительного отстаивания перегретого расплава модельного состава при регенерации, на дно тигля печи оседает не только не растворившаяся часть карбамида и посторонние включения, но и часть биурета. То есть происходит расслаивание модельного состава.

Практика использования модельных составов класса 24В1 показывает, что они являются практически одноразовыми материалами, поскольку их свойства после регенерации значительно изменяются и повторному использованию подлежит только воскоподобная часть модельного состава. Как правило, её используют для изготовления элементов литниково-питающих систем или для производства моделей отливок менее ответственного назначения, например товаров широкого потребления.

Класс 25В1. Эмульсионные модельные составы были разработаны с целью: уменьшения величины линейной усадки моделей; повышения прочности и жёсткости модельного состава; снижения гигроскопичности моделей, содержащих в качестве твёрдого наполнителя карбамид, и уменьшения взаимодействия модельного состава с гидролизованным раствором этилсиликата.

Для приготовления эмульсионного модельного состава используют три компонента [1]: воскоподобный модельный состав (пластификатор) с широким температурным интервалом пастообразного состояния (например, ВИАМ-102), твёрдый наполнитель (карбамид) и эмульгатор (жидкое, поверхносто-активное вещество марки ОП-7 или ОП-10).

Эмульсионный модельный состав готовят следующим образом. В расплавленный пластификатор вводят порошкообразный карбамид, эмульгатор и интенсивно перемешивают (эмульгируют). В процессе эмульгирования, благодаря присутствию в расплаве вещества-эмульгатора, происходит частичное растворение карбамида в пластификаторе (до 15…17% от массы карбамида). После образования эмульсии, её интенсивно охлаждают с целью фиксации в затвердевшем приготовленном модельном составе не растворившихся частиц карбамида.  

Повторный нагрев (до 75…90 ⁰С) приготовленного модельного состава для запрессовки в пресс-форму, сопровождается плавлением пластификатора и растворённого в нём карбамида. При этом, не растворившаяся часть карбамида находится в твёрдом, мелкодисперсном, взвешенном состоянии. После запрессовки модельного состава в пресс-форму, понижение температуры модельного состава способствует понижению растворимости карбамида в пластификаторе, что приводит к образованию в теле модели кристаллов карбамида с частично растворённым в них пластификатором. Собственно, образование этих кристаллов и обеспечивает достижению вышеуказанной цели.

В табл. 15 приведены некоторые свойства эмульгированного модельного состава, изготовленного на основе модельного состава ВИАМ-102 [1].

Таблица 15. Свойства эмульсионного модельного состава (класс 25В1), изготовленного на основе модельного состава ВИАМ-102

Следует отметить, что эмульгирование модельного состава не решает вопроса повышения его трещиноустойчивости. Поэтому, трещиноустойчивость эмульгированного модельного состава всецело определяется трещиноустойчивостью исходного модельного состава-пластификатора.

В настоящее время модельные составы данного класса на отечественных предприятиях не используют.

Класс 16В1 и 26В2. Модельные составы  классов 16В1 и 26В2 в своём составе содержат твёрдый наполнитель, не ограниченно растворяющийся в жидкой, восковой основе модельного состава. Целью использования твёрдого наполнителя, не ограниченно растворимого в жидком модельном составе, является: возможность многократного использования модельного состава, повышение жёсткости, прочности и теплоустойчивости модельного состава, а так же повышения качества поверхности моделей.

Содержание твёрдого наполнителя в модельных составах данных классов не превышает 5…10% (по массе) и, по механизму упрочнения воскоподобной основы модельного состава, они относятся к дисперсноупрочнённым. Свойства некоторых модельных составов класса 16В1 и 26В2 приведены в табл. 16.

Таблица 16. Свойства модельных составов класса 16В1 и 26В2

В твёрдом состоянии, в модельных составах данных классов, наполнитель находится в восковой части в виде дендритоподобных кристаллов длиной до 100 мкм. При расплавлении модельного состава кристаллы наполнителя растворяются в его воскоподобной части. При последующем охлаждении расплава до определённой температуры, растворимость наполнителя понижается, и он частично выделяется в расплаве в виде кристалликов (дендритов). В этот момент происходит повышение температуры расплава, а сам расплав превращается в структурированную жидкость желеподобной консистенции. Дальнейшее охлаждение и перемешивание модельного состава приводит к разрушению дендритного “скелета” наполнителя, в результате чего модельный состав вновь приобретает текучесть. При дальнейшем понижении температуры воскоподобная часть модельного состава переходит в вязкопластичное (пастообразное) состояние, а выделившаяся и выделяющаяся, в процессе охлаждения, часть твёрдого наполнителя остаётся в пастообразном составе виде кристалликов (дендритов).

Содержание наполнителя в модельных составах данных классов ограничено 10% (по массе). Дело в том, что с увеличением содержания данного типа наполнителя, происходит повышение температуры начала его выделения в жидком модельном составе со  значительным увеличением дисперсности образующихся кристаллов. С увеличением дисперсности кристаллов возрастает удельная площадь их поверхности, что резко понижает текучесть модельного состава.

Естественно, что использование относительно небольшого количества твёрдого, растворяющегося наполнителя в модельном составе не позволяет уменьшить его линейную усадку. Тем не менее, модельные составы данного класса обладают высокой текучестью, обеспечивают высокую чистоту поверхности моделей и, в отличие от модельных составов с твёрдыми, не растворяющимися наполнителями, регенерируемы. Кроме этого, их возможно использовать на любом типе оборудования для запрессовки модельного состава в пресс-формы, в том числе на установках использующих подвод модельного состава к пресс-формам по обогреваемым пастопроводам. Из числа положительных качеств, следует выделить крайне низкую склонность к образованию утяжин в моделях модельного состава КС-107-Б и высокую текучесть и трещиноустойчивость модельного состава КС-107-С. В случае необходимости, трещиноустойчивость и пластичность модельного состава КС-107-Б повышают путём ввода в него от 1 до 7% (по массе) пластификатора – дибутилфталата (сверх 100% модельного состава).

 Класс 31С3. К  классу 31С3 относятся модельные составы, изготовленные на основе природных смол. Наиболее известными модельными составами данной группы являются модельные составы типа КПсЦ, состав и свойства которых приведены в табл. 17 и табл. 18.

Таблица 17. Модельные составы класса 31С3

Таблица 18. Свойства некоторых модельных составов класса 31С3

Модельные составы типа КПсЦ применяют там, где сборку отдельных частей модели, проводят методом склеивания. Эти составы отличаются высокой температурой и давлением (до 1 МПа) запрессовки, что объясняется высокой вязкостью модельных составов при относительно низких температурах. В связи с высокой температурой запрессовки, данные модельные составы характеризуются высокой линейной усадкой, склонны к образованию в моделях значительных утяжин и трещин. При этом, трещины в моделях из составов типа КПсЦ могут образовываться не только в процессе затвердевания и охлаждения модели, но и при её хранении.

Модельные составы данного класса обладают низкой склонностью к короблению и имеют относительно высокую теплоустойчивость и твёрдость, хрупки. Высокая вязкость в жидком состоянии является основной причиной плохого удаления модельного состава из керамической оболочки при выплавке, в особенности, из её узких полостей. Практически, модельные составы типа КПсЦ, при получении тонкостенных отливок, являются  одноразовыми.

Высокая температура размягчения модельных составов типа КПсЦ является причиной частого разрушения недостаточно прочных керамических оболочек. Это связано с тем, что для перехода в жидкое состояние при выплавке из керамической оболочки, твёрдый модельный состав нагревают до относительно высокой температуры. В свою очередь, это приводит к большей абсолютной величине объёмного расширения модельного состава в твёрдом состоянии и, соответственно, повышенному силовому воздействию на керамическую оболочку со стороны модели.

Сборку моделей и модельных блоков из модельных составов класса 31С3 проводят склеиванием или припаиванием. При этом, зачастую модельный блок выполняют комбинированным, изготавливая, например, литниково-питающую систему из модельного состава класса  11В(1…3), 21В(1…3) и др. 

Изготовление модельных составов типа КПсЦ проводят в электрических печах ёмкостью до 0,1 м³ , непосредственно в литейном цехе.

Класс 41В1. Одним из представителей модельных составов класса 41В1 является модельный состав марки КС-111, разработанный и производимый предприятием ЧНПП “Карион-Сервис” (Украина). Модельный состав КС-111 не склонен к короблению и образованию утяжин в моделях, имеет стабильную усадку, обладает высокой трещиноустойчивостью, в том числе и при хранении моделей в течение 3-х, и более, месяцев. Использование модельного состава КС-111 позволяет стабилизировать размерную и массовую точность отливок, что объясняется низким коэффициентом термического расширения модельного состава.

Запрессовку модельного состава в пресс-форму осуществляют в интервале температур от 56 до 80 ⁰С, получая, при этом стабильную усадку, высокую чистоту поверхности и точность формы модели. Низкая вязкость жидкого модельного состава КС-111 и отсутствие наполнителя, позволяет его регенерировать и использовать повторно, а так же использовать в установках, где подача пастообразного модельного состава к пресс-формам осуществляется по обогреваемым пастопроводам. Модельный состав КС-111 не содержит наполнителей и не расслаивается в жидком состоянии, сохраняя свои свойства при неоднократных нагревах до 200…220 ⁰С.

Кроме этого, модели из модельного состава КС-111, так же, как и модели из модельного состава КПсЦ, можно склеивать между собой, используя те же материалы и технологию.

Свойства модельного состава КС-111 класса 41В1 приведены в табл. 19.

Таблица 19. Свойства модельного состава КС-111 (класс 41В1)

Класс 41В3.Модельные составы группы 4 (см. табл.1) преимущественно производят фирмы Германии (Deumex,  BeсiHandlex), Англии (Remet, BlaysonOlefines) и др.

Модельные составы, изготовленные на основе синтетических восков и смол, используют, в основном для получения моделей литниково-питающих систем.

Свойства некоторых модельных составов класса 41В3 приведены в табл. 20.

Таблица 20. Свойства модельных составов класса 41В3

Класс 44В2. Модельные составы класса 44В2 производят на основе искусственных восков и смол, с добавлением твёрдого наполнителя, в частности, ультрадисперсного порошка полистирола в количестве от 29 до 33% (по массе). Отличительной чертой данных модельных составов является их низкая склонность к образованию в моделях дефектов усадочного происхождения и высокая точность формы моделей.

 Существенным недостатком данных модельных составов является их высокая вязкость в жидком состоянии, что делает их практически не регенерируемыми (одноразовыми). Кроме этого перегрев расплава модельного состава в процессе его приготовления или регенерации нередко приводит к необратимому увеличению склонности модельного состава к образованию трещин в моделях. Причём эта величина перегрева (температура пережёга) для некоторых марок модельных составов превышает  температуру запрессовки модельного состава в пресс-форму всего на 20…30 ⁰С.

В некоторых модельных составах  данного класса используют твёрдый, легкоплавкий наполнитель, частицы которого, при относительно невысоком перегреве расплава модельного состава, плавятся, коагулируют и выпадают в осадок.

Высокая вязкость жидких модельных составов данного класса делает практически невозможным их использование в оборудовании, где подача пастообразного модельного состава к пресс-форме осуществляется по пастопроводам.

Модельные составы данного класса, централизованно производят предприятия Германии, Англии, Нидерландов, США и некоторых других стран. Свойства некоторых модельных составов класса 44В2 приведены в табл. 21.

Таблица 21. Свойства некоторых модельных составов класса 44В2

Необходимо отметить, что стабильность размерной точности моделей, изготавливаемых из модельных составов класса 44В2, достигается только при неуклонном соблюдении соответствующих условий подготовки модельного состава к запрессовке (гомогенизации), режимов изготовления и хранения моделей. Особенно чувствительны параметры усадки модельных составов данного класса к однородности материала и термо-временным параметрам изготовления моделей.

Класс 43В2. Модельные составы данного класса, как правило, изготавливают на основе модельных составов класса 41В2, путём замешивания в них дистиллированной воды в количестве 25…35% (по массе). При этом, вода в модельном составе находится в виде мелкодисперсных капелек диаметром 20…120 мкм. Для улучшения условий диспергирования воды в жидком модельном составе, в некоторых случаях, в неё вводят определённое количество поверхностно-активного вещества.

Использование воды, взамен воздуха или твёрдого наполнителя, позволяет, с одной стороны, увеличить давление запрессовки модельного состава до 0,3 МПа и более, с другой стороны, обеспечивает высокую текучесть модельного состава.

Использование модельных составов данного класса позволяет получать модели с достаточно высокой размерной точностью и высокой точностью формы, снижая, при этом, расход модельного состава одноразового использования на 10…30%.

Существенным недостатком модельных составов данного класса является проблематичность сборки модельных блоков методом припаивания, а так же, сложности, связанные с ремонтом и обработкой моделей.

В настоящее время модельные составы данного класса на отечественных предприятиях не используют.

Класс 51В1. В исключительных (единичных) случаях для изготовления выплавляемых моделей используют легкоплавкие сплавы, химический состав которых приведен в табл. 22.

Таблица 22. Легкоплавкие металлические сплавы (класс 51В1)

По сравнению с воскоподобными выплавляемыми моделями, модели из  легкоплавких металлических сплавов имеют огромную прочность и теплоустойчивость, не склонны к образованию утяжин и используются только для получения особо точных моделей. Высокую размерную точность моделей обеспечивает висмут, являющийся основой всех сплавов, приведенных в табл. 22. Природная особенность висмута расширяться при кристаллизации делает усадку большинства указанных сплавов близкой к нулю. Нулевую усадку, например, имеет сплав Вуда.

 Несмотря на преимущества перед модельными составами других классов, данные материалы имеют ряд существенных недостатков, в частности: высокую стоимость,  плотность,  сплавы интенсивно окисляются на воздухе в жидком состоянии. Применение легкоплавкого металлического сплава требует исключительно тщательного удаления его остатков из керамической оболочки, поскольку при прокаливании эти остатки полностью окисляются и являются причиной образования поверхностных дефектов отливки.

Помимо легкоплавких металлических сплавов, за рубежом, в исключительных, единичных случаях, модели отливок и литниково-питающих систем изготавливают из ртути. Изготовление моделей из ртути происходит путём её замораживания в пресс-форме, при температуре t =-40…- 42 ⁰С.

На отечественных предприятиях ртуть в качестве модельного материала не используется, в частности, в связи с её токсичностью.

Список литературы.

1. Производство высокотемпературных литых лопаток авиационных ГТД / Под ред. С.И.Яцыка. – М.: Машиностроение, 1995. – 256 с.: ил.