A research work for the strength properties of resin patterns for foundry use is described in the report. This work includes the routine procedures for the determination of the bending and impact strength of various test samples with metal, corundum and sand fillers in the epoxy system. It is assumed that this research will be in the interest of the manufacturers of foundry resin patterns.
Въведение
В литературата не се намират достатъчно данни за якостните свойства на леярската екипировка от пластмаса. Показателите на смолите пък, давани от производителите им, не могат да послужат за определяне на якостните характеристики и на моделните смеси, защото смесите са съставени от няколко вида компоненти, те, от своя страна, са в различни съотношения, а и полимеризацията е възможно да протече при различни условия.
Ето защо, в представената разработка е направен опит чрез рутинни тестове да се получи един комплект от необходими за практиката данни, като в различна степен са взети предвид факторите на влияние:
- конструкция на пластмасовите модели,
- състав на моделните смеси, от които те са изработени,
- и условия за втвърдяването на тези смеси.
Въздействия върху моделите
Още при монтажа към моделната плоча (фиг.1-а), евентуалните неравности по неработната страна на модела и/или по плочата биха предизвикали огъващи напрежения, особено ако моделът е тънкостенен и с голяма контактна площ. Но, всички знаят, че проблемът е отстраним и нито една съвременна леярна не би го допуснала при работата си.
а) б) в)
Фиг.1
Когато моделите са тънкостенни от кутиеобразен тип (черупкови), при пресоване би могло да се получи и огъване на хоризонталните им стени (фиг.1-б). В случая е ясно, че правилната конструкция на моделите задължително трябва да включва укрепване с ребра, армиране със стъклотъкан или с други материали.
По време на различните манипулации с моделите съществуват условия за разрушаване на изпъкналите им части - ребра, тънки стени и др. (фиг.1-в). Това може да стане при разполагане на касите около моделите преди уплътняване на формовъчната смес и при преместване (подреждане) на моделните плочи. Случва се рядко и то само при неправилно боравене с екипировката. Но и тук се предприемат известни мерки, като застрашените от разрушаване зони от моделите също се армират.
При уплътняване на леярските форми, моделите са подложени на натиск, но в практиката не е описан случай плътен по конструкция пластмасов модел да бъде разрушен при формоване, вследствие на натисково въздействие. Това е и основанието тук да не бъдат включени тестове за якостта на натиск.
От посочените обстоятелства за работата на моделите става ясно, че якостните им показатели са обвързани с настъпването на явления, които по-скоро имат случаен характер или са вследствие на груби конструктивно-технологични грешки.
Експериментална работа
В изследванията е определено влиянието на:
- вида, едрината и количеството на пълнителя,
- наличието на нишковидни материали,
- и на обработката с вакуум
върху якостта на огъване по БДС EN ISO 178:2002 и върху ударната жилавост по БДС EN ISO 179-1:2003.
Трябва да се отбележи е, че якостта на моделите слабо се влияе от технологията на изработването им - във вакуумирани [1] или в пластмасови форми [2]. Поради това, тук сравнения между технологиите нe се правят и посочваните данни, отнасящи се до вакуумираните форми, могат да важат и за класическата технология.
Един от вариантите на технологията за изработване на пластмасови модели във вакуумирани форми е особено подходящ за получаване и на пробните образци. Това включва следните действия. Най-напред се изработва необходимият брой дървени модели с размери, съгласно цитираните стандарти - за огъване 210/10х20 mm и за ударна жилавост 70/10х20 mm. Група от няколко модела 1 (фиг.2-а) се обвиват с фолио 2 и заедно с него се отстраняват от моделната плоча 3 при изключен вакуум. По същия начин последователно се обвиват и отстраняват и останалите групи от модели. След това, всички те отново се разполагат върху моделна плоча с включено към нея вакуумиране и отделните им фолиа се свързват (фиг.2-б). По-нататък се извършват известните операции за изработване на вакуумираните форми. В освободените кухини се налива моделна смес (фиг.2-в). Така се гарантира качественото обвиване на множество модели без разкъсвания на фолиото, което иначе е невъзможно, поради голямата им височина спрямо напречното им сечение. Важно обстоятелство е и това, че пробните тела могат да бъдат разположени на минимални разстояния едно от друго и така се изработват в една вакуумирана форма при еднакъв технологичен режим. Не без значение е, че всичко се извършва бързо, тъй като не се изчаква продължителното изработване на пластмасови форми по класическата технология.
а)
б) в)
Фиг.2
Пясъкът във вакуумираната форма е 1ПК025-70, дебелината на фолиото е 0,10 mm, а вакуумът в нея е 0,75.105 Pa. Продължителността на вибриране е 10 s.
Във всички случаи се използва фабрично пластифицираната смола АП1.
Използваните пълнители са:
- железен прах, марка WPL (производство на Mannesmann, с ~0,01 %C и ~99,4 %Fe), фракция 0,04-0,06 mm, в тегловни
съотношения 1:1, 1,5:1, 2:1, 2,5:1 и 3:1 спрямо смолата АП1;
- електрокорунд, фракции 0,16, 0,25 и 0,32 mm, 1:1, 1,5:1 и 2:1 към смолата;
- кварцов пясък, фракции 0,10, 0,16, 0,25, 0,315 и 0,40 mm, 1:1, 1,5:1, 2:1 и 2,5:1 към смолата.
Фракциите и тегловните съотношения са подбрани в съответствие с други изследвания за износоустойчивостта на моделните състави.
Изработва се и ограничен комплект пробни тела с железен прах и заложени в тях нишки от стъклотъкан, в тегловно съотношение 2% към цялото количество моделна смес.
Допълнителното въздействие върху моделните смеси с метален прах се състои в:
- предварително петминутно вакуумиране заедно с втвърдителя във вакуумкамера при вакуум 0,6.105 Pa и следващо
заливане (режим В-р1),
- или чрез вакуумкамера, разположена над работната кухина на формата (фиг.3), при вакуум 0,2.105 Pa, през първите два
часа след заливането (режим В-р2).
Фиг.3
За да се подобри умокрянето на пълнителите от смолата, всички смеси се приготвят 24 часа преди наливането им във формата.
Пробите се заливат във вертикално положение. След като станат готови, всяка от тях се намалява по височина с 10 mm. Така се отстранява зоната с евентуална концентрация на въздушни включвания. Изпитванията на образците, по пет от всеки вид, се правят 24 часа след изработването им. За изследванията на огъване е използвана изпитвателна машина ZD 2.5 (WPM), Германия, а определянето на ударната жилавост е проведено с чук на Шарпи НПО 43, Русия.
Резултати за якостта на огъване са показани на фиг.4, а за ударната жилавост - на фиг.5. На фигурите железният прах е означен с Fe, електрокорундът с К, пясъкът с П, а нишките с "н". Само за сравнение, тук са изписани и стойностите за съответните изпитвания на образци от епоксидна смола АП1 без използване на пълнители, които са: Rог = 63 MPa и
KC = 7,8 kJ/m².
 |
 |
Фиг.4 |
Фиг.5 |
Анализ на резултатите
Коментарът на тези очаквани резултати може да се сведе до общо взето известни постановки. При сравнението между трите вида пълнители се забелязва, че пробите с железен прах и с пясък нaвсякъде показват по-голяма якост от тези с корунд. При равни други условия, това трябва да се дължи единствено на различната форма на частиците им. Докато кръглите зърна на металния прах и на пясъка способстват за добрите якостни показатели, то характерната за корунда ломена форма с наличие на остри ръбчета, улеснява разрушаването.
Влиянието на едрината на пълнителя проличава най-добре при пробите с пясък, тъй като при тях са използвани най-много фракции. Явна е тенденцията при увеличаване на големината на зърната, якостта да намалява. Ако, за краткост, се разгледат само данните за Rог и отнасянията са към стойностите за най-ситната фракция 0,10 mm, при съотношение към смолата 1:1, пробата с фракция 0,16 mm е с 3,3% по-ниска якост, като се стига до разлика от 10,5% при едрата фракция 0,40 mm. При съотношение 1,5:1 разликите варират съответно от 0,8% до 14%, при 2:1 - от 4,7% до 17,8%, при 2,5:1 - от 7,8% до 18,2%. При корунда, нещата са подобни. Що се отнася до пробите с железен прах, имащи най-дребните частици, резултатите са съпоставими с тези за пясък 0,10 mm, като средната разлика Fe/П за всички пропорции със смолата, в абсолютни стойности, тъй като има превес ту на единия, ту на другия пълнител, е около 6%.
Влиянието на количеството на пълнителя спрямо смолата е най-силно изразено. Отдавна е известно [3], че с увеличаване на съдържанието на пълнителя, якостните показатели намаляват. Това се потвърждава и тук. Най-добри якостни характеристики имат моделните смеси със съотношение пълнител-смола 1:1. Отново за Rог, при увеличаващите се съотношения към смолата, пробите с железен прах намаляват якостта си с 4,1% при 1,5:1, с 6,7% при 2:1, с 14,5% при 2,5:1 и с 18,5% при 3:1. Показателите при корунда се изменят средно за трите му фракции с 28,6% при 1,5:1 и с 39% при 2:1, което представлява значителна разлика. Средното намаляване на якостта за всички пясъчни фракции е 5,9% при 1,5:1, 21,5% при 2:1, 29% при 2,5:1.
Въпреки липсата на специални изследвания, обяснението на резултатите за съчетаното влияние на едрината на пълнителя и на съотношението му към епоксидната смола трябва да се търси в различното структурно разпределение между отделните компоненти. На фиг.6 са представени някои възможности за разрушаване при съвсем примерно геометрично разпределение на компонентите.
а) б)
Фиг.6
Смолата се разполага по повърхността на зърната и образува връзки между тях с някакво сечение. От показаните по-преди стойности е ясно, че чистата смола има значителна якост (най-вече на огъване), но се знае още, че създаваните от нея адхезионни връзки с пълнителите също са отлични. При тези обстоятелства е валидно известното положение, че от баланса на силите на адхезия и кохезия в конкретния момент, се стига до един или друг тип разрушаване.
Ако разглежданията започнат с по-силно влияещия върху якостта фактор, за които е и схемата от фиг.6, при малки количества на пълнителя, неговите зърна ще се намират на голямо разстояние едно от друго, а "мостчетата" от смола между тях ще бъдат с най-голямо сечение. При натоварването, тези мостчета се огъват и в определен момент настъпва разрушаването. То е предимно кохезионно, в зоната на самите полимерни връзки (фиг.6-а), за което свидетелстват правените след тестовете наблюдения с бинокулярен микроскоп (х40) на ломове на проби. Въпреки липсата на доказателствени снимки тук, от наблюденията може да се твърди, че при съотношения ~1:1, 1:1,5 към смолата, ломовете са гладки и са покрити с блестящ епоксиден слой. При този механизъм на разрушаване, получаваните стойности за якостта са най-високи.
При други, нарастващи количества на пълнителя, неговите зърна се приближават, а сечението на смолата между тях силно намалява. Деформационното състояние се изменя и огъването на мостчетата от смола е слабо изразено или липсва. Тогава вече се осъществява както кохезионно, така и адхезионно разрушаване (фиг.6-б). При наблюденията, ломовете са на границата смола-пълнител, те са матови при по-дребните фракции и грубо зърнести при по-едрите. Намиращите се и тук гладки (лъскави от смолата) участъци, характерни за кохезионното разрушаване, са с по-малка площ. Така описаното състояние на процеса на разрушаване е свързано най-общо с намаляване на якостта.
В подобно направление са и обясненията за разликите в якостта при използване на пълнители с една или друга едрина на частиците при еднакво съотношение към смолата. От елементарната схема на фиг.7, при дребнозърнестите пълнители (вляво), по аналогия с предходните разглеждания, очакванията са за висока якост и за преобладаващо кохезионно разрушаване.
Фиг.7
Якостта при едрозърнестите пълнители е по-малка от намалените сечения на връзките от смола между две съседни зърна, разгледани както в хоризонтална, така и във вертикална посока. Наблюденията с микроскоп показват кохезионно и адхезионно разрушаване в тези зони. За понижените якостни показатели значително допринася и обстоятелството, че голяма част от смолата е разположена в пространството между групите от едри зърна (четири, в случая). Добре "изолирано", полученото струпване е с такава форма, че разрушаването ще е по-скоро по границата смола-пълнител.
Влиянието върху якостта на моделните смеси при влагане на нишковидни материали в тях е широкоизвестно и поради това тук то е изследвано съвсем бегло. При пробите с железен прах и нишки, повишаването на якостта при огъване е средно с 22,6% и близо 34% при тестовете за ударната жилавост. Това са и резултатите с постигнати максимални стойности, които са добре изразени чрез най-високите колонки (означени с +н) на фигури 4 и 5. Влагането на нишки е трудно при съотношения пълнител-смола над 2,5:1, а в тегловно съотношение, те не трябва да са повече от 2% спрямо количеството на цялата моделна смес. В противен случай, при подготовката на сместа и изработването на пробното тяло (леярския модел) се затваря голямо количество въздух. Това, естествено, намалява съответното напречно сечение и може да доведе до изненадващо неспециалистите силно падане на якостта.
Положителни са и резултатите от вакуумирането на смесите с железен прах (фигури 4 и 5, колонки В-р1). Това се извършва в самостоятелна вакуумкамера, непосредствено преди заливането във формата. Тъй като втвърдителят също е прибавен, въздействието е краткотрайно при опитно определена оптимална стойност на вакуума. Тази обработка е добре позната при съвременните миксери за приготвяне на моделни смеси. Средното нарастване на якостта при различните съотношения към смолата е около 6% за Rог и 14% за KC.
Ефективно е и вакуумирането след заливането на моделния състав във формата, по схемата от фиг.3. То е целесъобразно само в първите два часа от началото на заливане, след което камерата, оформена над работната кухина се отстранява. Опитно установената стойност на вакуума 0,2.105 Pa осигурява видимо (през прозрачната камера) интензивно отделяне на въздушните включвания, с което се постига очакваната подобрена структура на пробните тела. Средно за всички съотношения към смолата, якостта на огъване е с 14%, а ударната жилавост с 21% по-голяма от тази на необработените с вакуум образци (фигури 4 и 5, колонки В-р2).
Моделните смеси, които задължително трябва да престояват по-продължително време преди внасянето на втвърдителя, да се почистват от образувалата се "въздушна пяна" и да се обработват с вакуум по някои от горните режими или с вибрации след наливането на моделната смес във формата, са предимно тези с праховидните пълнители - всички метални прахове, маршалит, гипс и др. Известно е, че поради огромната си повърхнина, те са много "склонни" към увличане на въздух и възможността за поява на проблеми с якостта при тях е най-голяма.
Заключение
Представените резултати могат да се обогатят, като се включат и проби от смоли (състави) на световноизвестни производители. Анализът пък, може да се задълбочи с още някои изследвания. Но като цяло, тук се предполага, че получените данни за якостните показатели ще бъдат полезни за производителите на пластмасови модели, като ще им служат при избора им на един или друг моделен състав в съчетание с останалите експлоатационни характеристики.
Литература
- Alipiev, D., Resin patterns obtained in the vacuum sealed molds, 5th Int'l Scientific Conference Heavy Machinery '05, Matarushka Banja, Serbia, 2005.
- Ciba-Geigy Prospects, Publ. No 24028, 28145, 35513, 35950.
- Новоселец, Л. Епоксидни смоли, Техника, С., 1983, с.218.
* Докладът е изнесен на Международната научна конференция Унитех ' 06, 24 - 25 ноември 2006, Технически университет - Габрово
