СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ФАСОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предполагаемое изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для производства литейных моделей, деталей модельных комплектов и пресс-форм при единичном, мелкосерийном, серийном и массовом производстве отливок, а также деталей машин и механизмов, изготавливаемых ранее из алюминиевых и цинковых сплавов, с повышенными требованиями по износостойкости и прочности, работающих в условиях повышенного износа и значительных знакопеременных динамических нагрузок.

Известен способ получения литейных моделей из композиций на основе эпоксидных смол, включающий подготовку негативной модели или формы, приготовление жидкой композиции путем интенсивного смешивания жидкой эпоксидной смолы с отвердителем, послойное нанесение жидкой композиции на негативную модель или заливку композиции в форму, выдержку на воздухе, отделение затвердевшей литейной модели от негативной модели или удаление литейной модели из формы, отличающийся тем, что с целью повышения качества моделей (прочности и пластичности) в жидкую эпоксидную смолу перед ее смешиванием с отвердителем вводят продукт АГМ-9 (бесцветная жидкость) в количестве 20-25% от массы смолы. (Патент № 2304034 от 01.11.2005) .

Известен способ получения пластмассовых моделей, включающий подготовку форм или негативов, приготовление композиции на основе эпоксидной смолы, заливку или нанесение слоями связующей композиции в форму или на поверхность негатива (мастер-модели), отверждение композиции за счет выдержки на воздухе, согласно которому для повышения прочности моделей эпоксидную смолу смешивают с металлическим порошком и алюминиевым гранулятом ( Патент ГДР №220914, кл. В22С, 7/00).

Недостатками известных способов являются: низкая прочность эпоксидных моделей при растяжении, также высокая хрупкость, которая возрастает с повышением твердости. Из-за хрупкости область применения таких моделей существенно ограничивается. При уплотнении смесей встряхиванием, прессованием или воздушно-импульсном, когда модели испытывают значительные ударные и изгибающие нагрузки, применение эпоксидных композиций затруднительно и даже невозможно из-за их слабого сопротивления растяжению и ударам.

Известен способ изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей, согласно которому детали пресс-форм получают из предварительно подготовленного композиционного материала на основе полимерного материала с добавками частиц одной или более фракций металлических или неметаллических материалов размером до 5,0 мм, в объёме от 10 до 70% от объёма исходного полимерного материала, залитого в форму (обечайку) с установленной в ней мастер-моделью и выдерживают от 5 до 120 мин с последующим отверждением композита. Армирование волокнистыми материалами, введение в связующую композицию порошкообразных наполнителей повышают статическую прочность. Выдержка необходима для образования осадочного металлизированного слоя на рабочей поверхности детали посредством процесса седиментации более тяжёлых по отношению к полимеру металлических частиц и равномерному их распределению по поверхности мастер-модели. Состав, плотность и теплофизические свойства данного слоя регулируют соответствующим подбором материалов, конфигурации и фракционного состава частиц (Патент № 2379151 от 16.05.2007) .

Недостатками известного способа являются: невысокая производительность по причине длительной выдержки композита перед отверждением для завершения естественных седиментационных процессов, а также низкое качество фасонных изделий, обусловленное, с одной стороны, недостаточной плотностью поверхностного седиментационного слоя и, с другой стороны, - невысокой прочностью материала, формирующего «тело» изделия, и связанными с этим низкими эксплуатационными свойствами и сроком службы изделий.

Низкая плотность поверхностного слоя объясняется слабой эффективностью естественных седиментационных процессов в вязкой среде композита, а также присутствием разрозненной газовой пористости со средним размером пор до 0,3мм. Поскольку, в результате процесса седиментации дисперсной фазы из объёма материала на поверхность изделия, его «тело» в значительной мере освобождается от частиц наполнителя, - прочность материала, формирующего объём, часто бывает недостаточной и даже ниже показателей прочности исходного полимера.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении производительности, качества, эксплуатационных свойств, а также срока службы фасонных изделий, работающих в условиях повышенного износа и значительных знакопеременных динамических нагрузок в условиях мелкосерийного, серийного и массового производства отливок за счёт создания управляемой градиентной направленно-ориентированной структуры литого полимерного композита.

Для решения поставленной задачи, при использовании способа изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей, включающего подготовку формы, заливку её жидкой полимерной композицией на основе полимерного материала с добавками частиц одной или более фракций металлических или неметаллических материалов размером до 5,0 мм в объёме от 10 до 70% от объёма исходного полимерного материала и выдержку до полного затвердевания композита, форму предварительно помещают на рабочий стол установки для центрифугирования, а заранее подготовленные одну, две или несколько жидких полимерных композиций на основе литьевого полимерного материала с добавками частиц или волокон, обладающих различной седиментационной способностью в жидком полимере, последовательно, по мере потери живучести каждого предыдущего слоя, заливают слоями во вращающуюся форму, а выдержку осуществляют при непрерывном центрифугировании до полного затвердевания всей композиции.

При этом частоту вращения n и радиус удаления свободной поверхности жидкого композита, залитого в форму, от оси вращения R варьируют индивидуально для каждого слоя в диапазоне значений 70 ≤ n ≤ 850 об/мин, R ≥ 30 мм.

Технология изготовления фасонных деталей в машиностроении, а также деталей пресс-форм и модельной оснастки в литейном производстве, в частности, из полимерных композиционных материалов считается одной из наиболее перспективных. Для этого, как правило, используют традиционные слоистые полимерные композиционные материалы, а фасонные изделия из них получают методом механической обработки, что существенно усложняет и удорожает процесс производства. Изготовление фасонных деталей из литьевых полимерных композиционных материалов до настоящего времени не находит широкого применения в промышленности. Это, в частности, связано с тем, что исходные свойства традиционных полимерных композитов не в полной мере обеспечивают требованиям, предъявляемым, например, к модельной оснастке, испытывающей значительные знакопеременные нагрузки и ударные воздействия. Например, при удовлетворительном комплексе прочностных свойств это - неудовлетворительные износостойкость и твёрдость, и, наоборот, - при высокой износостойкости - недостаточная прочность, а также способность длительное время выдерживать знакопеременные динамические нагрузки.

Повысить конкретные свойства литьевых полимерных композитов можно, во-первых, с помощью наложения на затвердевающую жидкую полимерную композицию специальных физических воздействий, например, поля действия центробежных сил, а во-вторых, за счёт управляемого варьирования структуры внутри изделия, т.е. изменения концентрации, типа и размера частиц (волокон) наполнителя вдоль некоторого заданного направления - главной оси изделия, т.е. создания градиентной направленно-ориентированной структуры. Фасонные детали, изготовленные с применением технологии управляемого формирования структуры, имеют неоднородное (градиентное), направленное изменение структуры и свойств.

В предлагаемом способе повышение плотности, прочности, эксплуатационных свойств и срока службы изделий износостойкости литых полимерных композиций в фасонных изделиях достигается за счёт одновременного применения указанных двух технологий посредством послойной заливки нескольких жидких полимерных композиций на основе одного литьевого полимерного материала с различной концентрацией, типом и размером частиц (волокон) наполнителя в форму, закреплённую на установке для центрифугирования, с установленной в ней мастер-моделью в поле действия центробежных сил с варьируемыми силовыми характеристиками. В результате в фасонной детали формируется направленно-ориентированная вдоль главной оси изделия (или радиуса для круглых изделий) структура с градиентом по концентрации частиц или волокон. Причём концентрация и характер наполнителя, а также толщина слоёв могут легко изменяться в зависимости от требований, предъявляемых к изделию.

Высокие когезионные свойства литьевых полимеров, в частности полиуретанов, обеспечивают, даже при послойной заливке и отверждении, отличное сцепление слоёв и формирование непрерывной (без границ раздела) структуры изделия. Воздействие поля центробежных сил на формирующуюся полимерную композиционную структуру обеспечивает достижение максимальной плотности и однородности композиционных слоёв, вытеснение газов и, следовательно, полное отсутствие газовой пористости.

После заливки и формирования последнего слоя осуществляют выдержку будущего изделия при непрерывном центрифугировании формы. Указанная выдержка необходима для завершения процесса формирования всего изделия в целом. Преждевременная остановка процесса (до полного затвердевания всей композиции) приведёт к утрате размерной точности, а также деформации и браку изделия.

При определении режима вращения необходимо иметь в виду: силовое воздействие поля центробежных сил на любую материальную точку, находящуюся внутри него, прямо пропорционально произведению (n·R²). При увеличении (n·R²) пропорционально возрастает силовое воздействие поля центробежных сил. Причём одного и того же конкретного силового эффекта можно достигнуть либо увеличивая n, уменьшая R, либо наоборот - увеличивая R и уменьшая n.

Скорость вращения n варьируют в диапазоне значений 70 ≤ n ≤ 850 мин^-1 в зависимости от вязкости исходного композита, разности плотностей жидкой полимерной основы и материала частиц наполнителя, размера частиц, а также радиуса удаления формируемого слоя от оси вращения рабочего стола установки для центрифугирования. Во всех случаях снижение скорости вращения формы ниже 70 мин^-1 не обеспечит получение требуемого качества изделий. Чем выше скорость вращения формы, тем выше плотность и концентрация частиц наполнителя в каждом последующем слое. Однако увеличение скорости вращения выше 850 мин^-1 не приводит к заметному изменению свойств материала в изделиях.

Форму на рабочем столе установки для центрифугирования монтируют таким образом, чтобы радиус удаления свободной поверхности жидкого композита, залитого в форму R, находился на расстоянии более 30 мм от оси вращения стола установки, т.е. в диапазоне значений R ≥ 30 мм. Применение (или монтаж) литьевых форм при R ≤ 30 мм - не обеспечивает получение полимерных композиционных изделий требуемого качества из-за низкого уровня воздействия центробежных сил. Чем больше радиус вращения R, тем значительней воздействие центробежных сил на процесс формирования композиционного изделия и выше плотность материала в изделии. Однако, значительное увеличение R, например, больше 2000 мм, требует соответствующего увеличения мощности установки, производственных площадей, сопряжено с повышенной опасностью травматизма и поэтому неэкономично и нецелесообразно. Применение форм значительных размеров оправдано только при производстве изделий соответствующих габаритов.

Способ осуществляли следующим образом.

Полумодель детали колёсного типа диаметром 400 мм с ободом, толщиной 32 мм, шириной 70 мм и центральной втулкой (высотой 120 мм, диаметром 92 мм) изготавливали из полимерных композиционных материалов на основе литьевого двухкомпонентного полиуретанового компаунда. Модель предназначена для изготовления сырых песчаноглинистых форм. Тип производства - мелкосерийный. Формовка - вручную. Характер производства - ремонтное литьё.

В процессе формовки модель испытывает значительные истирающие воздействия по вертикальным (при формовке) поверхностям обода и центральной втулки, а также ударные воздействия от ручной трамбовки по горизонтальным поверхностям. Поэтому для изготовления вертикальных поверхностей модели использовали полимерную композицию (№1) с 12 % порошка карбида кремния (SiC). Данная композиция обладает высокой стойкостью к истирающим нагрузкам. Для изготовления горизональных поверхностей применяли полимерную композицию (№2) с наполнителем из титановой крупки. Указанная композиция обеспечивает высокие прочностные свойства материала при ударных нагрузках. Для формирования тела модели использовали полимерную композицию №3 с базальтовыми волокнами. Композиция с базальтовыми волокнами обеспечивает высокую объёмную прочность изделию.

Полимерные композиции готовили следующим образом. В мерную ёмкость заливали необходимое количество компонента А полимера, вводили в него катализатор и соответствующее количество компонента Б, тщательно перемешивали. Затем вводили заранее приготовленное количество добавок - частиц размером до 5 мм в количестве от 10 до 70 % (по объёму) и вторично перемешивали. Важным обстоятельством этого процесса является дозирование катализатора. Количество катализатора выбирали таким образом, чтобы после заливки композита в форму, - он затвердевал не сразу, а через некоторое время (от 3 до 7 минут), необходимое для образования в полости формы композиционного слоя с требуемым распределением частиц наполнителя.

Форму (обечайку) с закреплённой в ней мастер-моделью устанавливали на рабочий стол установки для центрифугирования в горизонтальном положении, строго совмещая ось вращения формы с осью вращения рабочего стола установки, и закрывали крышкой с заранее изготовленными отверстиями для заливки композиции. Готовили полимерную композицию №1, включали вращение стола. Заливали композицию в форму и вращали с заданной скоростью (350 - 400 мин^-1) до затвердевания первого слоя: в центральной части и по ободу модели. После чего останавливали вращение. Снимали форму, меняли крышку на другую - с приспособлением для заливки композита в вертикальном положении и вновь устанавливали форму на рабочем столе, но уже вертикально, строго перпендикулярно радиусу вращения, лицевой поверхностью будущей модели наружу. Готовили полимерную композицию № 2, включали вращение рабочего стола. Заливали композицию в форму и вращали со скоростью (200 - 250 мин^-1) до затвердевания второго слоя по лицевой поверхности модели. Затем опять останавливали вращение. Снимали форму, меняли крышку на другую - с приспособлением для заливки композита в горизонтальном положении и вновь устанавливали форму на рабочем столе, но уже горизонтально, строго совмещая ось вращения формы с осью вращения рабочего стола. Готовили полимерную композицию № 3, включали вращение рабочего стола. Заливали композицию в форму и вращали со скоростью 150 -200 мин^-1 до полного затвердевания всего изделия в целом. В данном случае, это время составляло - 30 мин. Третий слой необходим для фиксации и объединения предыдущих слоёв в одно целое, а также для окончательного выравнивания опорной поверхности модели. После окончания процесса модель оставляли в форме на 24 часа для окончательного набора прочности полиуретана (в соответствии с инструкцией по использованию компаунда).

С целью проведения сравнительных испытаний в этой же форме отливали модель по способу, соответствующему прототипу (Патент № 2379151 от 16.05.2007). Форму с мастер-моделью монтировали на неподвижной плите. Обод и центральную часть модели ограничивали временными перегородками и заливали полимерной композицией №1 (для обеспечения протекания процесса седиментации частиц в максимально возможном объёме время затвердевания этой и других композиций устанавливали с помощью катализатора приблизительно 90 мин). Выдерживали около 120 минут для прохождения процесса седиментации частиц наполнителя и затвердевания композиции. После этого перегородки снимали и во внутреннее пространство формы заливали композицию №2 для формирования лицевого поверхностного слоя модели, толщиной около 10 мм, аналогично тому, как это было в эксперименте по предлагаемому способу. Выдерживали ещё 90 минут и заливали композицию №3. Окончательную выдержку осуществляли до окончательного затвердевания всего изделия в целом (набора прочности) - 24 часа. После чего разбирали форму и извлекали модель.

Полученные модели подвергали сравнительным испытаниям и затем исследовали. Результаты сравнительных испытаний и исследований представлены в табл.1.

Табл.1. Результаты сравнительных испытаний