Технология художественного литья по выплавляемым моделям отличается специфическими приёмами формообразования моделей. Малая жесткость вкладышей требует заполнения форм модельным составом методом свободной заливки. Как вариант применяется послойное наращивание модели.
Макрорельеф художественных отливок представляет собой углубления на фасонных поверхностях заготовки (рис. 1). Профиль сечения углублений произвольный. В ряде случаев элементы с отливки с декоративной поверхностью образуют сложную структуру. Возникает неопределенность в части последовательности заполнения металлом и механизма формирования поверхности. Заготовки типа изображенных на рисунке 2 используют для удешевления обработки или при изготовлении эксклюзивных образцов.
Значения физических величин поверхностного натяжения и статического краевого угла смачивания для расплавов модельных составов не позволяют сделать вывод о характере поверхностных процессов при заполнении пресс-формы свободной заливкой. В частности, остается открытым вопрос о смачивании или несмачивании рабочей поверхности оснастки расплавом. При температуре заливки 75 °С модельный состав Р 3 имеет на подложке из силоксанового герметика статический краевой угол смачивания (Θ0) = 66°, что соответствует режиму смачивания, который исключает «сглаженный» макрорельеф модели. Потеря профиля макрорельефа модели возможна, если фронт потока модельного состава будет контактировать с пресс-формой при Θ0 > 900. Согласно результатам приведенных исследований, Θ0 = 90° соответствует температуре состава Р 3 65 °С.
Охлаждение потока расплава при его движении из тигля до элемента макрорельефа модельной оснастки происходит за счет конвекции тепла в атмосферу воздуха, излучением тепловой радиации во время падения струи в литниковую чашу и теплоотдачей по ходу движения в литниковой системе (ЛС). Учитывая, что при диаметре струи расплава 5 мм время ее заливки в литниковую чашу составляет 0,14 с, это позволяет пренебречь уменьшением температуры фронта потока на данном этапе. В литниковой системе время движения лежит в пределах 0,2 с, а приведенный диаметр – от 10 до 20 мм. Расчет показывает, что при этом потеря температуры составляет менее 4 % от температуры заливки. Таким образом, свойства фронта потока расплава на границе тела модели – макрорельеф не отличаются от свойств модельного состава в тигле, поэтому основное внимание уделялось именно моделированию заполнения макрорельефа. При заполнении элемента макрорельефа пресс-формы время заполнения зависит от характера смачивания фронта потока материала пресс-формы. В случае смачивания время составляет до 0,01 с, т. е. если отсутствует торможение составляющей капиллярного опускания, которое необходимо вычесть из величины напора в стояке. Кроме того, поверхностные силы, возникающие на границе расплав – форма, способствуют проливаемости макрорельефа оснастки. В режиме несмачивания заполнение полости, оформляющей макрорельеф модели, зависит от скорости подъёма уровня расплава в стояке пресс-формы. Для отливок массой 0,5...10 кг время заполнения пресс-формы, т. е. время достижения максимального напора в стояке, составляет около 1 с. Кроме того, фронт потока в элементе макрорельефа имеет приведенное сечение порядка 0,1 мм (отношение площади поперечного сечения заполняемого канала к периметру этого сечения), а в питателях сечением 5 × 5 мм оно составляет 1,25 мм. Согласно методике расчета температуры фронта потока жидкого металла, в канале песчано-глинистой формы, описанной Г.Ф. Баландиным [1], уменьшение приведенного сечения более чем в 10 раз приводит к эквивалентному убыванию температуры фронта расплава после его проникновения в элемент макрорельефа пресс-формы. Падение температуры модельного состава в свою очередь влечет увеличение статического краевого угла смачивания до значений более 90° и, соответственно, возникает зависимость заполнения элемента макрорельефа от гидростатического напора расплава в пресс-формы.
Вышеизложенные теоретические соображения проверяли опытным путем по трем направлениям:
1) заполнение «холодной» (+20 °С) в сравнении с заполнением «горячей» (+80 °С) пресс-формы;
2) варьирование формы профиля макрорельефа;
3) варьирование гидростатического напора модельного состава в пресс-форме.
Основной целью исследований являлось установление причины остановки модельного состава в элементе макрорельефа пресс-формы, т. е. останавливается ли фронт потока в результате «замерзания» или вследствие недостаточности гидростатического напора при Θ0 фронта расплава большем 90°.
Заливка модельного состава Р 3 с температурой +75 °С в оснастку, изображенную на рисунке 3 и предварительно нагретую до 80 °С, призвана была показать величину угла Θ0 остановившегося потока расплава в точке 5 (рис. 4). В общем случае движение свободной поверхности потока происходит с краевым углом натекания, который для смачивающих жидкостей имеет значение более 90°. Такое уточнение было необходимо для выяснения корректности оценки заполняемости пробы макрорельефа по статическому краевому углу смачивания остановившегося потока.
Эксперимент показал: смачивание расплавом модельного состава Р 3 поверхности пресс-формы, выполненной из силоксанового герметика или искусственного каучука, при вышеуказанных температурных режимах Θ0 остановившегося потока составит не более 25 °. В канале прямоугольной формы (рис. 5) наблюдали поднятие расплава по углам канала. Условно форма свободной поверхности расплава в момент остановки показана на рисунке 6.
Явление подъёма жидкости в точках АВСD, лежащих выше точек IJKL по направлению силы тяжести, освещено в работе Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов [2], как проявление капиллярного поднятия в углах прямоугольного канала. Причиной тому служит уменьшение кривизны свободной поверхности вблизи точек ABCD.
Применительно к настоящей работе из опыта был сделан вывод, что причиной уменьшения Θ0 в «горячей» оснастке по сравнению с заполнением «холодной», измеренного на затвердевшем расплаве, служит именно температурный режим расплав – форма, а не усадочные процессы внутри самого расплава. Соответственно, подтверждалась корректность оценки заполнения пресс-формы модельным составом по величине диаметра фронта остановившегося потока.
Уменьшение статического краевого угла смачивания приводит к возрастанию силы адгезии. В экспериментах по заполнению пресс-формы (рис. 3) с вкладышем (рис. 5а) это явление выразилось в невозможности извлечь затвердевшую модель из оснастки без разрушений. Заливка же пресс-формы, имеющей температуру 25 °С, позволяла получить зазор между резиновым вкладышем и моделью около 0,8 мм. В ходе экспериментов была установлена оптимальная температура заливки для вышеназванного состава 75 °С. Критерием служили легкость съёма и высота заполнения канала 2 для вкладыша, изображенного на рисунке 5б. При этой температуре зазор между эластичным вкладышем и затвердевшим составом не образуется, однако модель извлекается без повреждений. В случае смазки рабочих поверхностей пресс-формы маслом М8 Б модель можно извлечь, не деформируя резиновый вкладыш. Высота подъёма расплава Р 3 в части 2 пресс-формы по отношению к уровню части 1, куда производилась заливка, составляла 2...3 мм в сторону понижения. Такая разность уровней сохраняется вплоть до температуры модельного состава Р 3 – 80 °С, но нагрев свыше 75 °С затрудняет извлечение модели (особенно при отсутствии разделительных смазок).
Таким образом, для модельного состава Р 3 в интервале температур заливки 75...80 °С заполнение макрорельефа прессформы происходит в режиме несмачивания с Θ0 > 110°.
Полученные результаты позволяли иметь ориентировочные значения капиллярного сопротивления, возникающего при заполнении макрорельефа пресс-формы расплавом модельного состава Р 3.
Из-за несовершенства методики измерения поверхностного натяжения жидких модельных составов в интервале температур твердожидкой фазы было принято упрощение, что поверхностная энергия расплава незначительно зависит от температуры.
Представляя макрорельеф пресс-формы в виде глухих капилляров сечением 0,5 × 2 мм, получаем гидростатический напор, необходимый для продвижения расплава на 1...1,5 мм вглубь капилляра, равный 10 мм столба жидкого модельного состава Р 3.
Для экспериментальной проверки использовали пресс-форму, собранную с вкладышем (рис. 7а). Конструкция оснастки позволяла плавно изменять гидростатический напор от 120 до 240 мм при заполнении фасонной части ABCDE. Заливка расплава Р 3 при различной высоте стояка не выявила различий по глубине проникновения в части ВСD пресс-формы. Радиус остановившегося потока 0,1 мм при статическом краевом угле смачивания Θ0 = 110°. Заливка пресс-формы, укомплектованной вкладышем (рис. 5а), показала увеличение радиуса кривизны остановившегося потока в части АВС более 0,1 мм, начиная с высоты гидростатического напора менее 20 мм.
Этот эксперимент свидетельствует о том, что в эластичных пресс-формах при свободной заливке моделей затвердевание расплава модельного состава в макрорельефе пресс-формы происходит до полного заполнения оснастки.
Капиллярное сопротивление, препятствующее проникновению расплава модельного состава в макрорельеф пресс-формы, определяется (помимо свойств жидкости) формой свободной поверхности потока. При втекании жидкого модельного состава в полость, оформляющую макрорельеф оснастки (рис. 7), возникает неопределенность относительно образования формы свободной поверхности потоков, стремящихся к точкам BCD. Кроме того, ситуация осложняется направлением силы тяжести. Заливка пресс-формы, собранной с вкладышем (рис. 7а), показала отсутствие какого-либо влияния формирования потоков в частях АВС, BCD, CDE на проливаемость пробы. Оценка осуществлялась по радиусу острия остановившегося потока вблизи точек ВСD. Во всех случаях он имел величину, близкую к 0,1 мм. Эксперимент проводился при расходе расплава модельного состава Р 3, который способен пройти через стояк сечением 15 × 5 мм. Если скорость фронта потока расплава искусственно уменьшать, применяя вкладыши (рис. 4, 5б), то радиус острия остановившегося потока составляет 0,25 мм. Что характерно, сифонная заливка и заливка без стояка со свободной поверхностью показали близкие результаты.
На основании проведенных экспериментов были сделаны следующие выводы:
1. Температура фронта потока модельного состава является определяющим фактором при формировании художественного макрорельефа.
2. При послойном получении модели перегрев модельного состава Р-3 составит 30…40 °С.
3. Поверхность пресс-форм для изготовления моделей свободной заливкой рационально покрывать слоем минерального масла. Перегрев модельного состава в этом случае не более 25…30 °С.
1. Баландин, Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч.1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки / Г.Ф. Баландин. – М. : Машиностроение, 1976.
2. Сумм, Б.Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов. – М. : Химия, 1978. Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 6 (55) 2019
