ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ К ОБРАЗОВАНИЮ УТЯЖИН В МОДЕЛЯХ

Одним из основных показателей технологичности модельных составов, используемых в литье по выплавляемым моделям, является склонность модельного состава к образованию утяжин в моделях - прогиб (углубление), образующийся, как правило, на плоских поверхностях тепловых узлов моделей в процессе их изготовления.

В качестве критерия склонности модельного состава к образованию утяжин в моделях, принята максимальная глубина прогиба (Δ) плоской поверхности большего основания образца модельного состава, выполненного в виде усечённого конуса. При этом, склонность того или иного модельного состава к образованию утяжин в моделях тем выше, чем больше величина прогиба плоской поверхности большего основания образца.

Схема пресс-формы в сборе, используемой для изготовления образцов, а также отдельные элементы пресс-формы, представлены на рис. 1. Согласно рис. 1, пресс-форма (см. рис.1.г) состоит из следующих элементов: втулки (рис. 1.а) с калиброванным отверстием, днища (рис. 1.б) и обоймы (рис. 1.в). Запрессовка испытуемого модельного состава производится через калиброванное отверстие во втулке, со стороны меньшего основания конусообразной, формообразующей полости пресс-формы (см. пресс-форму в сборе на рис.1.г).

Рис. 1. Схема элементов и пресс-формы в сборе

Приспособление (см. рис. 2.а) для замера глубины утяжины в образце представляет собой индикатор (1) часового типа (ИЧ-2,5) с точностью измерения 0,01 мм, закреплённый с помощью болта на опоре (2). Для фиксации подвижной оси (3) механизма часового индикатора, приспособление оснащено фиксатором (4).

Рис. 2. Схема приспособления и эталона

Калибровку приспособления проводят по эталону, представленному на рис. 2.б. Материал пресс-формы, опоры приспособления и эталона - сталь марки 45 (улучшенная).

Изготовление образцов и проведение измерений.

Для изготовления образцов, формообразующие поверхности пресс-формы смазывают раствором веретённого или индустриального масла с керосином или этиловым спиртом, собирают пресс-форму (см. рис. 1.г) и испытуемый модельный состав, находящийся в пастообразном состоянии, запрессовывают в пресс-форму при определённых параметрах. После затвердевания, образец извлекают из пресс-формы и укладывают конической поверхностью на металлический стол или поддон. Дальнейшее охлаждение образца проходит на воздухе, после чего проводят замер глубины образовавшейся в нём утяжины.

С целью обеспечения сходимости результатов измерений в различных лабораториях рекомендуется:

1 - запрессовку испытуемого модельного состава проводить в пастообразном состоянии, в "рабочем" интервале температур, принятом для каждого конкретного модельного состава;

2 - температура в помещении, в котором проводятся испытания, а так же начальная температура пресс-формы, должна быть 23 ± 2 0С;

3 - запрессовку модельного состава в пресс-форму проводить с интервалом не менее 15 мин;

4 - запрессовку модельного состава, в который, согласно принятому на предприятии технологическому процессу, замешивают воздух (модельные составы типа ПС, Р-3, КС-5Р, КС-5А, МВС-3А и т.п.), проводить под давлением Р=0,14 ± 0,01 МПа с выдержкой под давлением в пресс-форме в течение τp=6 ± 1 с. После снятия давления образец дополнительно выдержать в пресс-форме в течение τ=60 ± 2 с и извлечь из пресс-формы;

5 - модельные составы, не допускающие присутствия воздуха в моделях (модельные составы типа ВИАМ-102, КС-107-С, КС-107-Б, КС-111 и т.п.) следует запрессовывать при давлении Р=0,35 ± 0,01 МПа, с выдержкой под давлением в течение τР=90 ± 2 с. После снятия давления образец дополнительно выдержать в пресс-форме в течение τР=5 ± 2 с и извлечь его пресс-формы.

После охлаждения образцов на воздухе в течение не менее 5 ч, визуально оценивают качество их поверхности и отбирают образцы, пригодные для проведения испытания. К испытанию допускаются образцы с гладкой поверхностью, не имеющие утяжин на поверхности меньшего основания конуса и на его конусообразной поверхности, спаев, трещин и раковин на поверхности большего основания образца, трещин, усадочных раковин, локального "вспучивания" конусообразной поверхности.

Для проведения измерения глубины утяжины в образце (см. рис. 3), пресс-форму устанавливают на горизонтальную поверхность днищем вверх, снимают днище и втулку, а охлаждённый, испытуемый образец (1) помещают в обойму (3) пресс-формы.

Непосредственно, перед проведением каждого измерения, приспособление калибруют. Для калибровки подвижную ось механизма индикатора освобождают от зажима фиксатора, приспособление устанавливают на зеркало эталона, поворачивают шкалу индикатора до совмещения её нулевой отметки со стрелкой и фиксируют подвижную ось индикатора.

В таком состоянии (см. рис. 3) приспособление снимают с зеркала эталона и устанавливают на обойму (3) пресс-формы вместо днища. После установки приспособления (2), подвижную ось индикатора освобождают от зажима фиксатора. В результате этого, щуп (4) подвижной оси индикатора приходит в соприкосновение с поверхностью образца 1. По отклонению стрелки от нулевой отметки на шкале индикатора определяют глубину утяжины в образце.

Рис. 3. Схема проведения замера глубины утяжины в образце

Обработка результатов исследований.

У образцов из "воздухонаполненных" модельных составов (Р-3, МВС-3А, КС-5А и т.п.), после проведения испытаний, в обязательном порядке, следует определить содержание воздуха и построить графическую зависимость глубины утяжины от содержания воздуха в образцах. За результат принимается глубина утяжины при содержании воздуха в образце 12% (по объёму), определённая на основании графической зависимости.

Построение графической зависимости рекомендуется выполнить по результатам определения глубины утяжин в 10-ти (не менее) образцах. Если разброс значений глубины утяжин в образцах настолько велик, что графическое построение зависимости не представляется возможным, то за истинное принимают среднее арифметическое значение всех проведенных испытаний в независимости от содержания воздуха в образцах.

В том случае, если содержание воздуха в полученных образцах составляет 12 ± 0,5%, то вычисление глубины утяжины в модельном составе проводят по результатам замеров не менее, чем в 5-ти бездефектных образцах. При этом измерения проводят на 7-ми (не менее) образцах, а при вычислениях наибольший и наименьший результат измерений величины утяжин в исследуемых образцах не учитывают.

Аналогичным образом (не менее, чем по 5-ти бездефектным образцам) вычисляют среднеарифметическое значение глубины утяжины для образцов из модельных составов, не допускающих присутствие воздуха в моделях (ВИАМ-102, КС-107-Б и т.п.).

Следует отметить, что после охлаждения, большее основание конуса приобретает, как правило, вогнутую, реже выпуклую форму. В случае выпуклой формы поверхности большего основания конуса (поверхность большего основания образца при этом, как правило, покрывается трещинами) модельный состав классифицируют, как имеющий показатель =0, то есть, данный модельный состав не склонен к образованию утяжин в моделях.

Исследования модельных составов Р-3, МВС-3А и КС-5А.

По приведенной методике исследовали склонность модельных составов Р-3, МВС-3А и КС-5А к образованию утяжин в моделях.

На рис. 4 представлена зависимость глубины утяжин в образцах из модельных составов МВС-3А (1), Р-3 (2), КС-5А (3), от объёмного содержания воздуха в модельном составе. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 4, показывает, что с увеличением содержания воздуха, замешанного в модельный состав, величина утяжин в образцах монотонно уменьшается. При этом, наименьшей склонностью к образованию утяжин, из исследованных, обладает модельный состав КС-5А (Δ=0,06 мм при UВ=12%). Модельный состав Р-3 при том же содержании воздуха имеет показатель склонности к образованию утяжин Δ=0,23 мм, а модельный состав МВС-3А - Δ=0,69 мм.


Рис. 4. Зависимость глубины утяжины в образцах от содержания воздуха в модельном составе	Рис. 5. Влияние давления запрессовки (Р) модельного состава на величину утяжин в образцах

То есть, при всех прочих равных условиях, модельный состав МВС-3А наиболее склонен к образованию утяжин в моделях. Поэтому, для предупреждения образования утяжин в моделях, изготавливаемых из состава МВС-3А, в него состав следует замешивать большее количество воздуха. Если экстраполировать кривую (1), представленную на рис. 4, то для получения моделей без утяжин ( Δ=0), содержание воздуха в данном модельном составе следует увеличить до 22…25%.

Исследования модельного состава КС-107-Б.

Используя вышеприведенную методику, определили склонность к образованию утяжин в моделях состава КС-107-Б. Запрессовку модельного состава проводили при температуре 65…67 'С.

В результате проведенных исследований установлено, что глубина утяжины (величина склонности образования утяжин) в образцах, изготовленных из модельного состава КС-107-Б, составляет Δ=0,14 мм.

На основе разработанной методики, провели исследования по определению влияния некоторых технологических параметров получения моделей на величину утяжин (Δ) в образцах-моделях, изготовленных из модельного состава КС-107-Б.

На рис. 5, рис.6 и рис. 7 представлены, соответственно, зависимости влияния на величину утяжин в образцах из модельного состава КС-107-Б давления запрессовки модельного состава в пресс-форму (Р), длительности охлаждения модели в пресс-форме после окончания прессования модельного состава (τ), диаметра отверстия для запрессовки модельного состава (D) во втулке пресс-формы.

В исследованиях использовали модельный состав КС-107-Б (№1) в состоянии поставки и состав КС-107-Б (№2) с 35% (по массе) технической мочевины (твёрдого наполнителя). Запрессовку модельных составов проводили при 65…68 'С.

Приведенные на рис. 5 данные свидетельствуют, что при D=6 мм, τp =90…92 с и τp = 5…6 с, с увеличением давления запрессовки модельного состава, глубина утяжин в образцах - уменьшается. При этом, существует критическая величина давления, при котором Δ=0. В данном случае величина этого давления запрессовки составляет 0,4 МПа и 0,7 МПа для составов №1 и №2, соответственно (см. рис. 5). С увеличением давления запрессовки выше критического значения, происходит "выпучивание" большего основания модели конуса и его растрескивание.

Явление "выпучивания" большего основания образца с увеличением давления запрессовки в исследованном интервале, набдлюдается не у всех модельных составов. Этому эффекту подвержены лишь те модельные составы, которые имеют относительно большой коэффициент сжимаемости в пастообразном состоянии. Дело в том, что по условиям эксперимента, образец, извлекаемый из пресс-формы через 95 с, с момента запрессовки, не успевает полностью затвердеть. Поэтому при извлечении его из пресс-формы тепловом центре образца модельный состав находится ещё в пастообразном, сжатом состоянии. Это состояние модельного состава "работает" как компенсатор объёмной усадки в процессе охлаждения не затвердевшей части образца. Поскольку значение объёмной усадки модельного состава есть величина постоянная, то естественно, что с увеличением степени сжатия пастообразного модельного состава при запрессовке, происходит более значительная компенсация объёмной усадки образца, но не за счёт изменения формы поверхности образца, а за счёт расширения не затвердевшей части, сжатого, пастообразного модельного состава.

В том случае, если величина сжатия пастообразного модельного состава в момент его запрессовки в пресс-форму превышает величину объёмной усадки, происходит изменение формы образца. В условиях принятой формы образца, наиболее податливой поверхностью для деформации в период затвердевания является его большее основание. В результате большее основание образца приобретает выпуклую форму.

Наличие явления "выпучивания" у образцов из того или иного модельного состава свидетельствует о низкой склонности этого модельного состава к образованию утяжин в моделях и гибкости управления процессом формирования качества модели.

Для предупреждения образования выпуклостей на плоских поверхностях термических узлов моделей необходимо либо понизить давление запрессовки, либо увеличить длительность выдержки модели в пресс-форме.

Следует отметить, что понижение глубины утяжины в модельном составе без мочевины с повышением давления запрессовки проходит более интенсивно, чем с мочевиной. То есть, например, при давлении 0,4 МПа модели из состава №1 утяжин не имели, а в образцах из модельного состава №2, при том же давлении, образуются утяжины глубиной около 0,53 мм.


Рис. 6. Влияние длительности охлаждения образца в пресс-форме после окончания прессования модельного состава на величину утяжин	Рис. 7. Зависимость глубины утяжины в образцах от диаметра запрессовочного отверстия в пресс-форме

На рис. 6 представлена зависимость глубины утяжин в моделях, полученных при Р=3,5 МПа, D=6 мм, τp =90 с, τp = 5…6 с, от длительности их охлаждения в пресс-форме после окончания прессования модельного состава (τ). Данные, представленные на рис. 6 свидетельствуют, что с повышением длительности выдержки моделей в пресс-форме глубина утяжины в них увеличивается. Причём, у модельных составов с мочевиной увеличение глубины утяжин происходит более интенсивно, чем у модельных составов без мочевины.

Полученные данные (см. рис.5 и рис. 6) свидетельствуют в пользу использования модельного состава КС-107-Б без мочевины, поскольку для предупреждения образования утяжин в моделях модельный состав КС-107-Б без мочевины можно запрессовывать при более низком давлении и, при этом, увеличить длительность выдержки модельного состава в пресс-форме, что способствует стабилизации размерной точности моделей.

На рис. 7 представлена зависимость глубины утяжин в моделях усечённого конуса, полученных при Р=3,5 МПа, τp =90 с, τ=5 с, в зависимости от диаметра запрессовочного отверстия во втулке пресс-формы. Анализ хода кривых (см. рис. 7) свидетельствует, что для модельных составов №1 и №2 существуют два определённых "пороговых" значения диаметра запрессовочного отверстия. Для модельного состава КС-107-Б без наполнителя (кривая 1) нижнее "пороговое" значение DН=3 мм, верхнее - DВ=6 мм. Для модельного состава КС-107-Б с наполнителем (кривая 2) нижнее пороговое значение DН=6 мм, верхнее - DВ=8 мм.

Из рис. 7 видно, что при диаметрах запрессовочного отверстия, меньших, чем DН, величина утяжин в моделях наибольшая и практически не зависит от D. В интервале значений D от DН до DВ глубина утяжин резко уменьшается, а при D >= DВ достигает минимума и при дальнейшем увеличении D практически не изменяется.

Величина "пороговых" значений диаметра запрессовочного отверстия пресс-формы зависит от реологических и теплофизических параметров модельного состава, теплофизических параметров материала втулки пресс-формы, протяжённости и конфигурации запрессовочного отверстия и т.п.

Тем не менее, можно констатировать, что при всех прочих равных условиях, диаметр запрессовочного отверстия пресс-формы оказывает существенное влияние на величину (глубину) утяжин в моделях.

Примечание. Модельные составы КС-5Р, КС-5А, КС-111, КС-107-С и КС-107-Б разработаны и выпускаются специализированным предприятием по производству модельных составов ЧНПП "Карион-Сервис", г. Днепропетровск, Украина.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", 2003 г.