CC BY
66
r ttmw,?rnrrr i or
-fl (58), 2010/ UU
f ! ^
The methods of experiments on determination of gas-
creating ability of different separating coverings for the moulds of aluminium alloys die casting are given and described in the article, and the results of investigation are given as well.
V_J
а. м михальцов, а. а. пивоварчик, а. а. субота, бнту
УДК 621.74.043 + 621.7.079
гдзотвоРность разделительных покрытий для пресс-форм литья алюминиевых сплавов под давлением
Одной из причин высокого газосодержания отливок при литье под давлением является газовыделение покрытий, наносимых на рабочую поверхность пресс-форм перед запрессовкой металла [1-3].
Покрытия для механизированного нанесения обычно состоят из основы, растворителя (разбавителя), поверхностно-активных веществ и различных специальных присадок. В качестве основы используются масла, жиры, кремнийорганические материалы, графит (преимущественно в виде коллоидных препаратов), реже применяются соли. После нанесения покрытия растворитель испаряется, а на поверхности пресс-формы остается тонкая экранирующая пленка [4].
Газотворность покрытий определяется в основном газотворностью основы разделительного покрытия. Поэтому при выборе основы необходимо учитывать ее влияние не только на усилие извлечения отливки из пресс-формы или стержней из отливки, но и на газовый режим формы, а, следовательно, на пористость в отливках.
Для исследования газотворности разделительных покрытий была разработана специальная методика, базирующаяся на изменении объема силь-фона, при выделении газов из дозы испытуемого покрытия, фиксируемого датчиком перемещения, основанная на изменении давления в замкнутом объеме при выделении газа из дозы исследуемого разделительного покрытия. Сущность методики заключается в следующем. В стальной тонкостенный колпачок 1 (рис. 1) помещается доза исследуемого компонента или покрытия. Колпачок с помощью резьбового соединения крепится к тонкостенному наконечнику промежуточной камеры 2. Герметизация камеры по резьбовому соединению достигается с помощью прокладок из отожжен-
ной меди. В промежуточной камере, помещенной в электрическую печь сопротивления 3, поддерживается заданная температура. Нагрев камеры предусмотрен для предотвращения конденсации паров покрытия. Быстрый нагрев колпачка с дозой покрытия обеспечивается при его погружении в ванну с расплавленным свинцом. Необходимая температура свинцовой ванны в тигле 4 поддерживается с помощью электрической печи сопротивления 5, включенной в сеть через лабораторный автотрансформатор. Печи 3 и 5 могут перемещаться по вертикальным направляющим (для погружения колпачка 1 в ванну с расплавленным свинцом). Поскольку свинец обладает высокой теплоемкостью, прогрев тонкостенного колпачка до рабочей температуры происходит очень быстро. Длительность
Рис. 1. Схема установки для исследования газотворности разделительных покрытий
86
шиИ г: гл^ггтллтгггггт
4 (58), 2818-
Рис. 2. Осциллограмма нарастания температуры на наружной и внутренней поверхностях стального колпачка при погружении его в ванну расплавленного свинца
прогрева тонкостенного колпачка определяли по специально снятой осциллограмме нарастания температуры на обеих поверхностях его донной части. Как видно, прогрев колпачка до рабочей температуры происходит в течение первых 2 с.
В реальных условиях литья под давлением разделительное покрытие наносится на разогретую поверхность пресс-формы. При этом разбавитель и некоторая часть покрытия успевают испариться. Поэтому колпачок с дозой покрытия для имитации нанесения на горячую поверхность пресс-формы предварительно выдерживали в печи сопротивления в течение 3 мин при температуре 200 °С.
Часть покрытия или компонента, оставшаяся после предварительной обработки, возгоняется и частично окисляется при погружении колпачка в свинцовую ванну и создает в камере 2 (рис. 1) избыточное давление. Камера с помощью специального переходника 7, обладающего низкой теплопроводностью, сообщается с измерительной полостью датчика давления 8 (рис. 2). В работе использован мембранный тензометрический датчик типа ФКМ-20, изготовленный в виде полумостовой схемы с активным сопротивлением каждого плеча около 100 Ом. Давление образовавшихся газов, фиксируемое датчиком, передается на усилитель 9 типа ТА-5. Усиленный сигнал записывается с помощью осциллографа 10, температура в тигле 4 и промежуточной камере 2 - милливольтметрами 11
Объем промежуточной камеры V в начальный момент находится при атмосферном давлении р1. Изменение давления в камере на величину АР за счет выделения газов из дозы покрытия соответствует изменению объема ау. Следовательно, объем выделившихся газов определяется соотношением:
Исследование прошли следующие разделительные покрытия и вещества, которые можно использовать в качестве основы: смазка ЛД, воск, вазелин технический, масло Вапор, поли-метилсилоксановая жидкость (ПМС-300), гидро-фобизатор ГФК-1. Температура свинцовой ванны и промежуточной камеры при этом составляла 600 °С, что соответствует температуре запрессовываемого алюминиевого сплава.
После погружения колпачка с дозой покрытия в свинцовую ванну давление в промежуточной камере начинает возрастать, что свидетельствует о начале газовыделения (рис. 3). К моменту прогрева колпачка до температуры испытания удельное газовыделение при деструкции покрытий имеет следующие значения: ПМС-300 - до 15 см3/г, масло Вапор и гидрофобизатор ГФК-1 - 74-80, воск и вазелин технический - 90-95, смазка ЛД -100-110 см3/г.
После достижения колпачком температуры испытания давление в промежуточной камере продолжает возрастать. При этом на кривых изменения давления (за исключением ПМС-300) через промежуток времени 2-6 с наблюдается резкий подъем. Это свидетельствует, по-видимому, о дис-
АК =ару1. р
(1)
Рис. 3. Осциллограмма изменения давления газа в промежуточной камере при термической деструкции различных материалов: 1 - ПМС-300; 2 - ГФК-1; 3 - масло Вапор; 4 -вазелин технический; 5 - воск; 6 - смазка ЛД
аггг^ г: гл^ггтллтгггггт / 07
-4 (58), 2010 / И!
Рис. 4. Газотворность исследуемых материалов при температуре испытания 600 °С: 1 - смазка ЛД; 2 - воск; 3 - вазелин технический; 4 - масло Вапор; 5 - ПМС-300; 6 - гидро-фобизатор ГФК-1
социации более сложных молекул на простые, происходящей с увеличением объема.
Как видно, наименьшей термической устойчивостью и несколько меньшей газотворностью в рассмотренном интервале времени обладают масло Вапор и гидрофобизатор ГФК-1. Полная газот-ворность исследуемых материалов определялась при выдержке дозы покрытия в течение 20 с. После указанного интервала времени давление в промежуточной камере обычно изменяется незначительно. Полученные экспериментальные данные приведены на рис.4.
По газотворности исследованные разделительные покрытия и предполагаемые компоненты для их приготовления можно условно разделить на три группы. Наиболее высокой газотворностью (1400 см3/г) обладает воск. Вторую группу составляют вещества, находящиеся при нормальных условиях в жидком или маслообразном состоянии: смазка ЛД, масло Вапор, вазелин технический и гидрофобизатор ГФК-1. Газотворность их колеблется в пределах 790-970 см3/г. Самой низкой га-зотворностью (300 см3/г) из исследованных материалов обладает ПМС-300.
Перечисленные материалы могут применяться также при литье под давлением более легкоплавких сплавов. Поэтому определенный интерес представляет термическая стойкость основы при более низких температурах. Исследования, проведенные при температуре 400 °С, показали, что процесс газовыделения из исследованных материалов протекает слабо. Все материалы, за исключением смазки ЛД, при 400 °С в течение 10 с выделяли менее 20 см3/г газов. Из смазки ЛД выделилось за это же время до 100 см3/г газов. При повышении температуры до 500 °С процесс газовыделения заметно активизируется. При этом наиболее высокой газот-
Рис. 5. Газотворность смазочных материалов при температуре испытания 500 °С: 1 - смазка ЛД; 2 - воск; 3 - вазелин технический; 4 - масло Вапор; 5 - ПМС-300; 6 - гидрофоби-затор ГФК-1
ворностью обладают воск, смазка ЛД и вазелин технический (рис.5). Заметно ниже газотворность масла Вапор, гидрофобизатора ГФК-1 и ПМС-300.
Заполнение полости формы металлом при литье под давлением осуществляется в течение сотых долей секунды. Поэтому на газовый режим формы оказывает влияние не полное количество газов, которое может выделиться при данной температуре из дозы смазки, а только некоторая часть. Анализ осциллограмм, полученных с помощью разработанной методики при температуре 600 °С, показывает, что к моменту прогрева колпачка до заданной температуры газотворность смазки ЛД, воска, вазелина технического, масла Вапор составляет 75-110 см3/г.
Степень влияния газотворности разделительного покрытия на газовый режим процесса предлагается оценивать с помощью критерия z, представляющего собой отношение объема газов, выделившихся из дозы покрытия, к объему полости формы. Объем газов с учетом газотворности покрытий, который необходимо удалить через вентиляционные каналы при литье по принципу максимального трения, можно определить по формуле:
У = УЙ
чГФ
+ г
(2)
где уф - объем полости пресс-формы, м3; тм - температура металла, заполняющего полость пресс-формы, К; тф - температура пресс-формы, К.
При литье по принципу минимального трения объем удаляемых газов будет равен:
Г = Гф(1 + г).
(3)
И/лгттг^ г: глгт(т/7/7гггггггт
/ а (58), 2010-
г
\
0,4 0,2
и 2 4 6 8
Рис. 6. Влияние толщины стенки отливки на величину критерия z
Значение критерия ъ будет зависеть от отношения толщины слоя разделительного покрытия к толщине стенки отливки, а также от газотвор-ности самого покрытия.
Обычно толщина экранирующего слоя покрытия при использовании автоматизированного и механизированного нанесения находится в пределах 1-30 мкм. Если толщину разделительного слоя принять равной 5 мкм, а газотворность масляных смазок - 100 см3/г, то критерий ъ при изменении толщины стенки отливки от 2 до 8 мм будет при-
нимать значения соответственно от 0,52 до 0,14 (рис. 6).
Таким образом, полная газотворность исследованных разделительных покрытий колеблется в широких пределах (300-1450 см3/г). В момент достижения температуры испытания их газотвор-ность (за исключением ПМС-300) находится на уровне 75-110 см3/г.
Кинетика процесса термодеструкции смазывающих материалов, установленная с помощью разработанной методики, показывает, что наибольшей термической устойчивостью обладает ПМС-300.
Следовательно, для уменьшения газотворной способности вновь разрабатываемых разделительных покрытий пресс-форм литья алюминиевых сплавов и снижения газовой пористости отливок предпочтение при выборе материалов, используемых для приготовления покрытий, следует отдавать полиметилсилоксановым жидкостям, так как данные материалы обладают высокими температурами начала термической деструкции и кратковременно сохраняют свои эксплуатационные свойства при температуре 400-450 °С.
Литература
1. А й н б и н д е р А. Б., Д р о в о с е к о в Б. Г. Влияние газотворной способности смазок на характер заполнения и качества отливок при литье под давлением // Сб. науч. тр. Пермского политехн. ин-та. 1969. № 55.
2. З е л е н о в В. Н., К и с и л е н к о Л. Е. Смазка пресс-форм литья под давлением. М.: Машиностроение, 1983.
3. М и х а л ь ц о в А. М., П и в о в а р ч и к А. А. Разделительные покрытия на основе кремнийорганических полимеров для литья под давлением алюминиевых сплавов // Металлургия. 2006. № 30.
4. П и в о в а р ч и к А. А., С л е п н е в а Л. М., Р о з у м В. А. Разработка разделительных покрытий на основе кремний-органических материалов для пресс-форм литья под давлением // Литейщик России. 2007. № 1.
