Использование вторичного полистирола в качестве компонента материала для изготовления моделей при ЛГМ

Важным вопросом производства до сих пор является изготовление качественных литых заготовок различных сплавов и геометрических параметров [1–5]. Одним из распространённых способов изготовления качественных отливок является литье по газифицируемым моделям (ЛГМ).

Материалом для изготовления моделей при литье ЛГМ в настоящее время является литейный полистирол мелких фракций порядка 0,4–0,7 мм [6–8]. Такая величина фракции необходима для устранения склонности вспененного полистирола к слипанию, возникаю- щему в результате взаимодействия между гранулами. Модели, получающиеся в результате использования этого материала, отличаются хорошей прочностью, высокой газопроницаемостью и качеством поверхности, что обеспечивает в дальнейшем высокое качество отливки. Недостатком этого материала является его достаточно высокая стоимость, что определяет и последующую относительно высокую стоимость отливки, полученной методом ЛГМ.

В ряде исследований [9–12] предлагается использовать в качестве материала смесь литейного полистирола и вторичного, перерабо- танного из отходов строительного полистирола. Количество вторичного полистирола варьируется в зависимости от размера и массы модели, рекомендуемая фракция – 0,3–0,5 мм.

Экспериментальная часть

Целью данного исследования являлось изучение влияния количества вторичного полистирола в составе материала для производства моделей при ЛГМ на некоторые параметры получаемых моделей и качество последующей отливки.

Технологический процесс проводился с ранее определенными параметрами [13–15]. Вторичный полистирол фракции 0,3–0,5 мм смешивался с литейным полистиролом марки T180F в соотношениях от 10 до 50 % по массе шихты. После перемешивания смесь подвспе-нивалась паром и просушивалась в течение 15 мин при температуре 30 °С. Затем вспененный полистирол вдувался в пресс-формы, заполненные пресс-формы помещались в автоклав и выдерживались до полного спекания гранул полистирола. Готовые модели извлекались и охлаждались до комнатной температуры. Следующим этапом технологии является окраска блоков моделей. Окраска производилась в один слой специальным противопригарным покрытием путем окунания в ванну; при сложной конфигурации отливок окраску можно производить обливом. Сушка окрашенных модельных блоков производилась в сушильной камере при температуре 45–65 °С в течение 2,5–3,5 ч.

Перед окраской измерялась шероховатость поверхности моделей, полученных при разном соотношении вторичного и литейного полистирола. Шероховатость измеряли портативным измерителем шероховатости TR 100 согласно ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности модели является важным параметром качества модели, так как в последующем ше- роховатость модели во многом определяет шероховатость поверхности готовой отливки [16].

Кроме шероховатости поверхности также определялась скорость горения и прочность модели. Скорость горения определялась по методике, описанной в ТУ 2214-12605766801-2003 «Полистирол. Технические условия», предел прочности на сжатие – на испытательной машине INSTRON-100.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований приведены в таблице. В эксперименте данная технология реализовалась для модели «Броневая плита».

Как видно из приведенных результатов, чистота поверхности практически не меняется в образцах 1–4 и остается близкой к эталону, расхождение составляет около 5 %. Однако при увеличении доли вторичного полистирола до 50 % шероховатость поверхности модели резко возрастает – примерно на 45 % по сравнению с эталоном. Этот факт, по-видимому, связан с агрегацией частиц вторичного полистирола в процессе вспенивания, так как его частицы обладают ровной сферической поверхностью и имеют более высокую склонность к слипанию, чем частицы литейного полистирола.

Систему литейный полистирол – вторичный полистирол можно рассматривать как двухфазную систему. При содержании литейного полистирола выше 50 % последний выступает как матрица с равномерно распределенными включениями вторичного полистирола; при увеличении доли вторичного полистирола компоненты меняются ролями и матрицей выступает вторичный полистирол, который определяет основные свойства системы.

Надо отметить, что введение вторичного полистирола в количестве 10–20 % не окажет значительного влияния на себестоимость модели, поэтому практический интерес пред-

Свойства моделей с разным содержанием вторичного полистирола

Номер образца	Количество вторичного полистирола, % масс.	Шероховатость поверхности, мкм	Скорость сгорания, г/с	Предел прочности на сжатие, МПа
0	0	37	2,9	0,48
1	10	35	2,7	0,46
2	20	36	2,5	0,43
3	30	37	2,2	0,41
4	40	39	2,1	0,39
5	50	58	1,8	0,30
6	60	65	1,7	0,28

б

Рис. 1. Модель № 4 отливки (а); отливка «Броневая плита», полученная с использованием модели № 4 (б)

ставляют образцы с большим содержанием вторичного полистирола.

На базе модели № 4 была выплавлена отливка «Броневая плита» из стали 30ХГСЛ (рис. 1). Для оценки качества отливки использовали метод неразрушающего контроля – метод определения полей напряжений. Оценка полей напряжений позволяет косвенно судить о наличии внутренних дефектов в теле отливки, таких как наличие пористости, зон ликвации и скопления неметаллических включений, неоднородности структуры по величине зерна, анизотропии свойств [8].

Определение зон концентрации напряжений в образцах производилось методом магнитометрической диагностики, основанным на измерении величины собственного магнитного поля металлического образца и выяв- лении аномальных зон магнитного поля, связанных с дефектными участками металла.

Для исследований использовался феррозондовый магнитометр со сканирующим устройством 1-8М. Величина и характер изменений напряжённости магнитного поля рассеяния Н_р свидетельствуют о наличии или отсутствии дефектов в теле отливки. Метод имеет ограничения, так как не позволяет достоверно определять поля напряжений в крупногабаритных отливках, имеющих изометричные размеры в трех измерениях. В данном случае (отливка «Броневая плита») применение метода оправданно, так как толщина плиты – 120 мм, что входит в диапазон допустимых измерений.

Обработка данных производилась с помощью программы МММ-System версии 3.0. На рис. 2, 3 приведены магнитограмма и гра-

Рис. 2. Магнитограмма опытной отливки «Броневая плита»

Рис. 3. Трёхмерный график распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля Н р отливки «Броневая плита»

фик распределения поля напряжений в опытной отливке.

Как видно из приведенных графиков, распределение магнитного поля Н_р по всей длине образца – равномерное, существенных магнитных аномалий не наблюдается.

Максимальный показатель напряжённости магнитного поля Н_р не превысил 36 А/м, интенсивности изменения поля по длине dH/dx – не выше 8,2 (А/м)/мм.

Относительно ровный и пологий характер распределения полей напряженности свидетельствует об отсутствии явных внутренних дефектов в теле отливки, таких как пористость и газовые раковины; также можно говорить об отсутствии зон скопления неметаллических включений, однородности структуры по зерну.

Для сравнения на рис. 4, 5 приведены магнитограммы и график полей напряженности отливки «Броневая плита», полученных методом ПСС.

Как видно из рис. 5, распределение магнитного поля образца Н р – равномерное, однако в зоне L x = 40–80 мм имеются отрицательные аномалии с амплитудой до 110 А/м.

Рис. 4. Магнитограмма отливки «Броневая плита», полученная методом ПСС (эталон)

Рис. 5. Трёхмерный график распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля Н_р отливки «Броневая плита», полученной методом ПСС (эталон)

а)

Рис. 6. Микроструктура опытной отливки «Броневая плита»: а – опытная отливка, ×500; б – микроструктура эталона, ×5000

б)

Максимальный показатель напряжённости магнитного поля Н р составил около 83 А/м, интенсивности изменения поля по длине dH/dx ~ 23 (А/м)/мм = 23 А/м²·10³. Характер и параметры полей напряженности свидетельствуют о наличии дефектов в зоне 40–80 мм, возможно скопление неметаллических включений или пористости.

Для подтверждения выводов, сделанных на основании результатов метода магнитной памяти (МПМ), провели анализ микроструктур опытной отливки и эталона. Были изготовлены металлографические шлифы, травление проводили с помощью 10%-ного раствора азотной кислоты, увеличение ×500 (рис. 6).

Выводы

Сравнительный анализ микроструктур подтвердил выводы, сделанные на основе метода МПМ. Микроструктура опытной отливки представлена однородной структурой с достаточно мелким зерном, балл 7–8. В исследуемых полях зрения отсутствуют дефекты в виде ситовидной пористости, скопления неметаллических включений, форма зерна изометрично развита, отсутствуют дендриты и вытянутые зерна.

В эталоне (отливка, полученная методом ПСС) обнаружена ситовидная пористость, что и явилось причиной появления отрицательных отклонений амплитуды магнитного поля.

Проведенный анализ полей напряженности и микроструктуры отливки, выплавленной с использованием модели № 4, показал:

– во-первых, высокое металлургическое качество отливки, полученной с использованием модели №4: отсутствие пористости, зон сегрегации неметаллических включений и дендритного строения; наличие мелкого и изометричного зерна;

– во-вторых, возможность использования вторичного полистирола в количестве 35–45 % фракцией 0,3–0,5 мм в составе материала для изготовления моделей при методе ЛГМ.

Замена литейного полистирола на вторичный полистирол в количестве 35–40 % позволит снизить себестоимость модели. По предварительным расчетам себестоимость модели снизится на 20–25 %, при этом качество модели, а значит, и самой отливки остаются неизменными.