СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ФАСОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF MANUFACTURE OF CAST SHAPED PRODUCTS FROM POLYMER COMPOSITES

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.
2
2
При определении режима вращения необходимо иметь в виду: силовое воздействие поля центробежных сил на любую материальную точку, находящуюся внутри него, прямо пропорционально произведению (n·R). При увеличении (n·R) 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.
-1
-1
-1
Скорость вращения n варьируют в диапазоне значений  70 ≤ n ≤ 850 мин 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 минне 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 минне 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.
-1
-1
-1
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) 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) 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 миндо 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
Признак сравнения
Предлагаемый способ
Известный способ
Стойкость, съемов
более 300
193
Качество модели:первичное проявлениеухудшения качества поверхности,  съемов. Описание вида дефекта
Нет проявлений
30 - появление вмятин от трамбовки на ребрах модели;107 - существенное увеличение шероховатости поверхности модели и полученных отливок;193 - образование трещин в местах контакта материала с различными наполнителями
Характер распределения наполнителя
94% у рабочих поверхностей
72% у рабочих поверхностей
Производительность: Время, затраченное на изготовление модели без учета подготовки материалов и выдержки до полной полимеризации, мин
50
300