Получение высокохудожественных изделий малых форм возможно только методом литья по выплавляемым моделям. В процессе тиражирования, начиная с этапа формирования выплавляемой модели, происходит искажение авторской версии отливки. Качество отпечатка определяют поверхностные явления, происходящие на границе «оснастка — модельный состав». Эти явления описываются физическими величинами — поверхностным натяжением и краевым углом смачивания.
Для оценки влияния температуры расплава на величину краевого угла смачивания Θₒ был использован модельный состав Р-3. Интервал температуры от 65 до 90 °С. Такое ограничение обусловлено по верхнему пределу — испарением компонентов расплава, по нижнему — возможностью сформировать каплю на острие иглы. Подложкой служило обезжиренное кварцевое стекло с температурой 25 °С. Результаты измерений Θо даны в таблице 1.
Для ювелирного парафино-церезинового состава с добавкой полистирола краевой угол смачивания был замерен при нагреве расплава до 95 °С на подложке из вулканизированной резины с температурой 25 °С. В этом случае Θₒ в среднем составил 940.
Зависимость статического краевого угла смачивания от температуры подложки устанавливалась на образце из алюминиевого сплава АЛ 2 с температурой 50 °С в контакте с каплей состава Р-3, имеющего температуру 85 °С. Θₒ в среднем составил 350.
Нагрев подложки свыше 60 °С приводит к растеканию состава Р-3 (Θₒ < 50). Однако нагрев даже до 50 °С практически исключает отделение капли от подложки. Данное явление не позволяет использовать этот метод для улучшения заполнения рельефа вследствие возрастания сил адгезии при контакте расплава с подложкой согласно приведенной формуле [4].
В данном случае уменьшение Θₒ происходит вследствие увеличения работы адгезии. Поверхностное натяжение модельных составов мало меняется в интервале температур заливки, в то время как краевой угол смачивания имеет значения от 5 до 900.
cos(Θₒ) = (Wₐ - σж.г.)/σж.г., где Wₐ — работа адгезии, σж.г. — поверхностное натяжение «жидкость — газ».
В ходе экспериментов по заполнению макрорельефа модельной оснастки установлено, что оптимальный интервал температур заливки для состава Р-3 - от 75 до 85 °С, причем предпочтение отдается нижнему пределу по усадке и легкости съема модели.
Температуру подложки желательно иметь не выше +25 °С по легкости съема и не ниже +10 °С по проливаемости макрорельефа. Данное замечание относится к пресс-формам на основе искусственных каучуков и силоксанового герметика.
Металлические пресс-формы предпочтительно заливать в интервале +20... +10 °С, т.к. с повышением температуры возможно затрудненное отделение модели. Охлажденная ниже +10 °С оснастка дает на поверхности моделей брак в виде «заворотов».
Анализ уравнения Юнга для Θₒ позволил предположить наличие различий в характере смачивания подложек, имеющих различные поверхностные натяжения «твердое тело — газ» (σт.г.), одним и тем же модельным составом. Экспериментально выявлено, что расплав модельного состава Р-3 смачивает материалы пресс-форм, а ювелирные составы ПЦ с добавкой полиэтилена или полистирола не смачивают оснастку.
Результаты измерения статического краевого угла смачивания Θₒ сведены в таблице 2. Получившие широкое распространение в художественном литье в качестве материала модельной оснастки различные виды искусственных каучуков и силоксановые герметики показали аналогичную картину. Колебания краевого угла смачивания в пределах 15 %. Средние значения статического краевого угла смачивания Θₒ на различных видах резины и виксинте представлены в таблице 3.
Результаты, представленные в таблицах 2 и 3, показывают отсутствие существенного влияния σт.г. на формирование Θₒ при изготовлении моделей в различной оснастке. Некоторое увеличение значений Θₒ на металлических подложках по отношению к эластичным можно объяснить как следствие более интенсивной теплоотдачи при формировании капли и, соответственно, изменения свойств жидкости.
Взаимодействие расплава модельного состава с поверхностью пресс-формы неизбежно приводит к возникновению работы адгезии (Wа), которую необходимо совершить при извлечении застывшей модели из оснастки. Wа определяет характер взаимодействия расплава с подложкой: чем выше Wа, тем лучше смачивается материал и обеспечивается получение качественного макрорельефа модели. Однако при выеме модели из оснастки к изделию необходимо приложить силу, способную совершить работу Wа на определенном участке поверхности модели, соприкасающейся с пресс-формой.
Один из способов уменьшить Wа — получившие распространение в производстве разделительные смазки. Жидкость, нанесенная на поверхность пресс-формы, в ходе заливки модельного состава образует парогазовую прослойку между оснасткой и моделью, обеспечивающую беспрепятственное отделение последней. При такой технологии проливаемость макрорельефа пресс-формы уже обусловливается взаимодействием разделительной смазки с расплавом модельного состава и поведением самой разделяющей жидкости на поверхности модельной оснастки.
В качестве разделяющих жидкостей при изготовлении моделей получили распространение вода, машинное и растительное масло.
Сами разделительные жидкости не оказывают влияния на Θₒ. Капля состава Р-3 с температурой 85 °С, нанесенная на поверхность дистиллированной воды с температурой 10 °С, образует линзу, имеющую Θₒ среднее, равное 650, т. е. краевой угол смачивания не отличается от показателей твердой подложки. Модельные составы на масляной пленке (масло М8 Б1) дают следующие краевые углы смачивания (см. таблицу 4).
Интерес представляет также поведение самих разделительных жидкостей на материале пресс-формы. Дистиллированная вода, отработанное масло М8 Б1, машинное масло М8 Б1, растительное масло в контакте с виксинтом при температуре подложки 25 °С образуют следующие краевые углы смачивания (см. таблицу 5).
Данные таблицы 5 показывают, что вода и различные масла не образуют сплошных пленок на виксинте, а имеет место установление статического краевого угла смачивания. На практике перечисленные жидкости образуют на поверхности отдельные линзы. Исключение составляет поверхность подложки, имеющей шероховатость в виде параллельных штрихов. Капли машинного масла М8 Б1 на поверхности виксинтового образца со штрихами глубиной 0,05 мм составили при виде по штрихам Θₒср. = 310, поперек штрихов — 340.
Особенностью «штрихованной» поверхности виксинтовой подложки является отсутствие способности машинного масла собираться в отдельные линзы. Масло на шероховатой подложке в течение 1–5 мин образует равномерную пленку.
Такое поведение масла объясняется наличием капиллярного давления в направлении штриха, а т. к. масло смачивает герметик, то давление положительно, что и приводит к растеканию. Это явление подробно описано в литературе [1, 4], в частности в работе [1] приводится соотношение cos(Θш)=K cos(Θₒ), где cos(Θш) — косинус статического краевого угла смачивания на шероховатой поверхности материала; cos(Θ0) — косинус статического краевого угла смачивания, измеренный относительно плоскости, на которую проецируется истинная поверхность; К — коэффициент шероховатости (отношение фактической площади поверхности к проекции на горизонтальную плоскость).
Коэффициент К всегда больше единицы, таким образом, для смачивающих жидкостей (Θₒ < 900) растекание будет происходить лучше на шероховатой поверхности, чем на полированной.
В машиностроении подавляющее число моделей для ЛВМ получают запрессовкой модельного состава в металлические пресс-формы. Состав при температуре 50–70 °C в зависимости от компонентов подают под давлением 0,5х105–8х105 Па в полость пресс-формы. Эта технология нашла распространение и в ювелирной промышленности. Модели для отливок 0,02–0,05 кг изготовляют в пресс-формах из жестких сортов резины, а перед запрессовкой дополнительно сжимают металлическими пластинами, что позволяет применять требуемое давление.
Заготовки массой 0,5–10 кг требуют для своих моделей мягких пресс-форм, позволяющих вынуть ажурную заготовку без повреждений. Запрессовка под давлением в такие формы немыслима без нарушения геометрии оснастки и модели.
Свободная заливка остается преимущественным способом получения протяженных моделей с тонким рельефом. Закономерно возник вопрос о влиянии небольших давлений (до 5х103 Па), сравнимых с давлением в стояке литниковой системы, на характер взаимодействия между расплавом модельного состава и пресс-формой.
Для моделирования данного процесса капля состава Р-3, нанесенная на обезжиренную вулканизированную резину до застывания, придавливалась обезжиренным кварцевым стеклом, что обеспечивало давление в капле около 5000 Па (методика Я. Е. Гегузина [2]). Краевые углы составили 1400–1600.
Такое поведение расплава модельного состава можно объяснить наличием у жидкостей гистерезиса смачивания, который и определяет краевые углы натекания в направлении возмущающей силы. Таким образом, можно утверждать, что внешнее давление гарантирует режим несмачивания при заполнении оснастки.
Увеличение диаметра капли при виде сверху происходит скачкообразно, т. е. краевые углы натекания Θнт.=1400–16000 устанавливались при определенном давлении дискретно.
Явление скачкообразного движения жидкости по поверхности под действием внешних сил описано в работе А. В. Лапшина [3]. Данный опыт показал, что при отсутствии самопроизвольного движения смачивающей жидкости по поверхности твердой подложки (растекание) перемещение границы смачивания под действием внешнего давления сопровождается увеличением Θₒ в 2–2,5 раза.
В единичном производстве художественных отливок применяют метод послойного нанесения модельного состава. Модельную массу, перегретую на 40–50 °С, наносят кистью на поверхность виксинтового вкладыша. За счет быстрого охлаждения не происходит адгезионного взаимодействия с подложкой. Наносят 5–10 слоев, в зависимости от габаритов изделия. Далее части модели спаивают, шов затирают. Технология весьма трудоемкая и требует высокой квалификации работника.
Проведенные работы позволяют сделать следующий вывод. Для обеспечения качества выплавляемой модели художественной отливки необходимо соблюдение температурного режима модельного состава и оснастки. В частности, для составов типа Р-3 перегрев составляет 25–30 °С при температуре эластичного вкладыша 10–30 °С.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (44) 2018
