Литейный сополимер CLEARPOR® для технологии литья по газифицируемым моделям

Материал CLEARPOR® производства фирмы JSP, Япония, представляет собой гранулы сополимера и полистирола (75% - PMMA; 25% - EPS), подвергающиеся вспениванию, с дальнейшим производством пеномоделей, которые в свою очередь выжигаются металлом в процессе литья по технологии ЛГМ (LOST FOAM). CLEARPOR® выпускается двух типов CL500A - размер гранул около 0,5 мм и CL600A - размер гранул около 0,4 мм, что влияет на возможную толщину стенок производимых отливок.

Преимуществами CLEARPOR® являются:

• отсутствие углеродных поверхностных дефектов на отливках;

• высокая размерная точность гранул;

• полное разложение на газообразные составляющие в процессе выжигания (отсутствие жидкой фазы).

При использовании CLEARPOR® содержание углерода в отливках сводится к минимуму (на практике науглероживание составляет до 0,04%). Поэтому производство отливок по технологии LOST FOAM, особенно из низкоуглеродистых сталей и высокопрочного чугуна, где проблема науглероживания стоит особенно остро, возможно только с применением литейных сополимеров.

Вспененная модель из CLEARPOR® изготавливается при помощи стандартного оборудования, предназначенного для вспенивания полистирола.

CLEARPOR® обладает высокими свойствами пиролиза и выделяет минимальное количество вредных газов по сравнению с полистиролами. Поэтому технология ЛГМ с применением сополимера позволяет получить ощутимый экономический эффект за счет применения более простой системы очистки газов, выбрасываемых в атмосферу.

Материал обладает минимальной усадочной деформацией после формовки, что позволяет производить высокоточные отливки в течение достаточно большого времени хранения моделей.

Модели из сополимера обладают хорошими механическими свойствами, предотвращающими их деформацию и разрушение во время формовки в песок.

При использовании сополимера существенно экономятся средства, связанные с регенерацией песка, т.к. загрязнение песка его продуктами распада примерно на 80% меньше, чем от продуктов разложения полистирола.

Предвспенивание

Вспенивание материала происходит в специальных автоматических вспенивателях, однако на практике не плохие результаты получены и в модернизированных автоклавах. К сожалению, нормально вспенить сополимер в привычных ваннах практически не возможно. Здесь следует заметить, что сополимер, по сравнению с полистиролом более чувствителен к температурному режиму, поэтому установленное давление и температуру пара, а также время вспенивания, особенно в автоклавах, необходимо строго выдерживать.

Очень важно чтобы процесс вспенивания сопровождался постоянным перемешиванием материала.

В результате предварительного вспенивания продуктов CLEARPOR® получается материал объёмной плотностью 20 - 35 кг/м³. При этом продолжительность процесса вспенивания не регламентирована, и зависит от необходимой плотности и от применяемого при этом оборудования.

Таблица 1. Условия предвспенивания на автоматическом вспенивателе

Условия вспенивания материала в автоклавах описать сложно по причине разнообразия этого оборудования, а также степени его автоматизации (контроль давления, температуры, времени вспенивания и др.). Поэтому каждый потребитель должен отработать свой режим вспенивания.

Время "созревания" материала после предвспенивания составляет 24-48 часов. Время хранения предвспененного материала составляет до 96 часов. Эти величины зависят от окружающей температуры и плотности полученного материала.

Спекание моделей

Спекание моделей производится на специальных модельных автоматах или с использованием автоклавов. Относительно низкое давление используемого пара, составляющее 0,07 - 0,08 бар, является наиболее предпочтительным для материала CLEARPOR®.

Таблица 2. Условия спекания в автоматах для изготовления моделей

Условия спекания моделей в автоклавах, также как и условия предварительного вспенивания, отрабатываются потребителем индивидуально.

Упаковка и хранение

Материал CLEARPOR® весом по 125 кг упаковывается и запаивается в полиэтиленовый мешок, который в свою очередь укладывается в стальную 200-литровую бочку с герметически закрывающейся крышкой. Данный контейнер должен быть защищен от дождя, снега, низких температур, солнечных лучей и механических повреждений. CLEARPOR® должен храниться в прохладных складских помещениях, т.к. присутствующий в материале пенообразователь (пентан) имеет свойство улетучиваться, а интенсивность этого процесса зависит от окружающей температуры. Рекомендуемые условия хранения в оригинальной упаковке: при температуре ниже +15'С (идеальные - 0 - +5'С).

При соблюдении выше указанных условий гарантийный срок хранения материала составляет 3 месяца. Однако на практике установлено, что при хранении материала в идеальных условиях срок его пригодности для производства качественных моделей увеличивается в несколько раз.

Процесс снижения содержания пентана при температурах 0 и 23'С на протяжении 200 дней отображен на рис. 1.

Рис. 1. Снижение содержания пентана в сополимере CLEARPOR®

Свойства пиролиза

Процессы пиролиза пеновых моделей с разным содержанием метилметакрилата (ММА) [0% - EPS (полистирол), 75% - CL600A (сополимер), 100% PMMA (полиметилметакрилат)] были проанализированы при помощи термогравиметрических измерений. Кривые пиролиза этих моделей при различных температурах приведены на рис. 2.

Рис. 2. Свойства пиролиза при плотности 25 кг/м3

Очевидно, что температуры пиролиза CLEARPOR® (CL600A) также низки, как и 100% PMMA. Термогравиметрические измерения при реальном разливочном процессе не выявили практических различий в скорости разложения этих двух материалов на газовые составляющие.

На рис. 3 показано количественные различия между газообразованием полистирола (EPS) и сополимера CL600A. Измерения проводились при выжигании моделей одинаковой формы, с одинаковым удельным весом 25 кг/м³. Количество образованных газов при разложении сополимера CL600A в 2 раза больше чем EPS при температуре 700'С, и в 1,5 раза больше при 1200'С.

Рис. 3. Свойства пиролиза (газообразование)

В таблице 3 приведен состав газов (кроме неорганических CO2, СО, Н2О), полученных в результате сгорания CL600A и EPS. Пиролиз был выполнен в атмосфере азота и воздуха при температуре 700'С. В азотной среде EPS разложился на ароматические составляющие, главным образом на стирол, CL600A распался на органические газы, содержащие атомы кислорода. В воздушной среде продукты разложения материалов CL600A и EPS также отличаются качественно и количественно. Очевидно, что процесс сжигания сополимера в отличие от полистирола является экологически чище, что приводит к дополнительной экономии средств на установку и содержание сложных систем очистки выбросов в атмосферу.

Таблица 3. Состав органических газов при декомпозиции (плотность - 25 кг/м³ при 700'С)

На фото 1. показано сравнительное количество выделяемой золы при сгорании полистирола и сополимера.

Фото 1. Процесс горения

Усадочная деформация

Сополимеры обладают минимальной усадочной деформацией, что позволяет применять их при производстве высокоточных отливок. Ниже отображены сравнительные процессы усадочной деформации сополимеров CL500A, CL600A, и полистиролов марки FMC505, FMC605 после изготовления модели.

Дни после изготовления

Рис. 4. Усадочная деформация

Точность размеров модели в процессе старения должна быть максимально стабильной. Поэтому следует знать оптимальные условия хранения моделей. На следующем графике (Рис. 5) приводятся сравнительные характеристики процесса усадочной деформации моделей, изготовленных из материала CL600A при их содержании в различных температурах.

Дни после изготовления

Рис. 5. Усадочная деформация при различных температурах

Из графика видно, что температура 23°С является наиболее приемлемой для хранения моделей.

Явно выраженные поверхностные углеродные дефекты в отливках (см. фото 2), отлитых по полистироловым моделям, абсолютно отсутствуют на однотипных изделиях произведенных с использованием моделей из сополимера.

Фото 2. Качественное сравнение однотипных изделий, отлитых на модели из CL500 и EPS

В конце необходимо заметить, что для литья стали и высокопрочного чугуна по технологии ЛГМ выше описанный материал является незаменимым. Однако наилучших результатов при этом можно достичь только с использованием современного оборудования. Это, прежде всего, касается автоматических вспенивателей и автоматов для изготовления пеномоделей.

Примечание: Вся приведенная выше информация и указанные величины не являются гарантированными и носят только информационный характер. Характеристики материала могут изменяться в зависимости от конкретных технологических условий. В связи с этим, перед закупкой серийной партии материала, рекомендуется приобретение его опытного количества с целью проведения производственных испытаний.

По вопросам приобретения сополимера и для получения дополнительной информации о материале и технологии производства моделей можно получить у специалистов ООО "КОМЕКСИМ Украина", Украина, 03040, г. Киев, ул. Стельмаха, 10-А, оф. 5; тел: +38 (044) 455-73-15, тел/факс: +38 (044) 257-01-43, e-mail: info@comexim.com.ua.

Сведения об авторах:

• Леонтиев Михаил Васильевич - директор ООО "КОМЕКСИМ Украина", телефон: +38 (044) 257-01-43, 455-73-15; e-mail: info@comexim.com.ua.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №3 (91) 2008 г.