Филиал РАХ «Творческая мастерская «Литейный двор». Ткаченко С.С. Натурное моделирование процесса заполнения пресс-форм модельным составом методом свободной заливки

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.

Литература

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