Материаловед

3.1.1. Исходные материалы

Парафин — смесь углеводородов предельного ряда с общей формулой СnН (2n+2), продукт возгонки нефти, бурого угля и горючих сланцев. Представляет собой белую массу с кристаллической структурой. Парафин придает моделям пластичность и устойчивость к образованию трещин. Он наиболее дешевый и недефицитный компонент модельного состава. К недостаткам парафина относятся: невысокая прочность, склонность к размягчению и деформациям при температурах, превышающих 28°С, вспениваемость в расплавленном состоянии. Парафин хорошо сплавляется со стеарином при температуре 70 — 80°С и с буроугольным воском — при 100—110°С.

Стеарин — смесь жирных кислот, продукт переработки растительных и животных жиров. Представляет собой аморфную беловато-желтую массу. Стеарин повышает теплостойкость и прочность Моделей. Это дефицитный и дорогой материал (в 8 раз дороже парафина). Недостатками стеарина являются взаимодействие с этилсиликатом и омыление в воде.

Буроугольный воск — смесь воска, смолы и асфальтоподобных веществ, продукт переработки битумного бурого угля. Представляет собой однородную массу темно-бурого цвета. Служит основным заменителем стеарина. Буроугольный воск обладает высокой прочностью и твердостью, значительной хрупкостью, способствует образованию твердой блестящей поверхности модели. Недостатком буроугольного воска является его коксуемость в процессе выгорания в керамической форме при недостатке кислорода.

Церезин — смесь твердых высокомолекулярных углеводородов метанового ряда, получаемая в результате переработки и очистки озокерита. Это аморфная масса светло-желтого цвета. Недефицитный материал. Церезин обладает более высокой эластичностью и теплостойкостью, чем парафин и стеарин. Недостатки церезина — значительная линейная усадка, невысокие прочность и  твердость. Церезин хорошо сплавляется с парафином и стеаринов температуре 70 — 80°С, с буроугольным воском — при 100—110ºС, с канифолью — при 140ºС.

Кубовый остаток крекинга парафина — смесь высокомолекулярных предельных и непредельных углеводородов; используется как пластификатор (повышает пластичность и упругость). При введении в модельный состав более 8% кубового остатка уменьшаются теплостойкость и прочность.

Этилцеллюлоза — разновидность простых эфиров целлюлозы. Это мелкокристаллический белый или светло-желтый порошок. Целлюлоза применяется как пластификатор и упрочнитель парофиновых и стеариновых составов, а также составов с канифолью. Содержание этилцеллюлозы в модельном составе не должно превышать 5 %, иначе модельный состав будет прилипать к оснастке, целлюлоза хорошо смешивается с жидким стеарином, но не смешивается с парафином.

Торфяной воск — смесь высокомолекулярных углеводов, продукт обработки торфа различными растворителями. По сравнению со стеарином и парафином торфяной воск обладает более высокой прочностью и теплостойкостью. Недостатками торфяного воска являются хрупкость, повышенная вязкость в расплавленном состоянии.

Полиэтилен — синтетическое высокомолекулярное соединение, получаемое полимеризацией этилена (СН₂ — СН₂),, под давлением (120—250 МПа). Полиэтилен увеличивает термостойкость и прочность парафина в 1,5—2,0 раза. Недостатки полиэтилена — значительная усадка (до 3%), повышенная вязкость в расплавленном состоянии, снижающая жидкотекучесть модельного состава. Полиэтилен хорошо сплавляется со стеарином и канифолью.

Канифоль состоит в основном из смоляных кислот. Эта хрупкая стекловидная масса. Применяется для придания модельным составам повышенной прочности и термостойкости. При большом содержании канифоли в модельном составе, он приобретает хрупкость, прилипает к оснастке, утрачивает технологические свойства при многократном использовании.

Полистирол — термопластичный материал, получаемый полимеризацией стирола. Используется не только в качестве самостоятельного материала для изготовления моделей, но и как компонент модельного состава, повышающий его теплостойкость и механическую прочность. Модели из полистирола плохо удаляются из керамических оболочек.

Пенополистирол — термопластичный материал в виде гранул, получаемый суспензионной полимеризацией стирола (C₆H₅ — СН =СН₂) — в присутствии летучего пенообразователя. Является исходным материалом для изготовления моделей.

Карбамид СО (NH₂)_{2 ,}техническая мочевина — кристаллический материал, получаемый путем нагрева аммиака и углекислого газа при температуре 150°С и давлении 450 МПа. При нагреве карбамид не проходит стадию размягчения. Является основным компонентом растворяемых в воде модельных составов. Обеспечивает малую линейную усадку и высокую прочность моделей.

Борная  кислота — блестящие чешуйки или бесцветные мелкие кристаллы — является компонентом растворимого в воде модельного состава.

Основные свойства исходных материалов характеризует табл.3.1.

Таблица 3.1. Основные свойства исходных материалов

Материал	Плотность, г/см3	Температура плавления, ºС	Литейная усадка, %	Прочность при сжатии, МПа
Парафин технический Стеарин дистиллированный Буроугольный воск Церезин Кубовый остаток крекинга Этилцеллюлоза Торфяной воск Полиэтилен Канифоль сосновая Полистирол блочный Пенополистирол Карбамид (мочевина)	0,90- 0,95 0,90-0,97 1,00- 1,03 0,91- 0,94 — 1,00- 1,20 — 0,92- 0,95 1,00- 1,20 1,05- 1,07 0,06- 0,10 —	50-51 50-56 82-90 67-100 35 160-180 65-67 104-115 66-73 280-300 — 129-134	0,3-1,0 0,7-1,5 0,8-1,3 — — — — 2,0-3,0 — 0,2-0,4 0,3-0,4 —	0,4-0,5 0,4-0,6 — — — 14 — 12-16 — 0,4-0,7 0,4-0,7 —

3.1.2. Требования к модельным составам

Модельные составы должны отвечать следующим требованиям:

1)   хорошо заполнять полости пресс-форм и четко их воспроизводить;

2)  не вступать во взаимодействие с материалами пресс-форм и огнеупорных покрытий;

3) не прилипать к поверхности пресс-форм, инструменту и рукам рабочего;

4)  хорошо смачиваться огнеупорной суспензией;

5) обладать после затвердевания прочностью и твердостью, достаточными, для того чтобы исключить повреждение моделей;

6) иметь малую и стабильную усадку и соответственно малое горение при повышенных температурах, чтобы исключить растрескивание керамической оболочки;

7)  сохранять свои свойства при всех технологических операциях, чем при многократном использовании;

8)  не выделять вредных газов и паров при нагревании и сгорании.

Желательно, чтобы температура плавления модельного состав была в пределах 60—100°С, тогда его будет проще удалить из керамической оболочки. Температура начала размягчения должна превышать максимальную положительную температуру воздуха в рабочих помещениях на 10—15°С и составлять примерно 35—40°С.

В машиностроении наибольшее распространение получили модельные составы четырех групп.

К первой группе относятся модельные составы, представляющие собой сплав воскоподобных материалов, содержащих в ряде случаев улучшающие добавки. Основными компонентами  этой группы являются парафин, стеарин, церезин, буроугольный торфяной воск, сложные эфиры высших кислот. В качестве добавок, повышающих пластичность, прочность, теплостойкость, используют этилцеллюлозу, кубовый остаток крекинга парафина, полиэтилен. Физические и механические свойства некоторых модельных составов первой группы приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Основные свойства модельных составов на основе воскоподобных материалов

Марка состава	Температура каплепадения, ºС	Температура начала размягчения, ºС	Линейная усадка, %	Прочность при изгибе, МПа	Зольность, %
ПС 50-50 ПЦБК 70-12-13-5 ПБС 60-25-15 ПБТТ 25-35-35-5 ПЦБ 62-25-13 ПЦП 67-25,5-7,5	53 80 74 75 75 77	30 33 35 35 32 43	0,8-1,0 0,7-0,9 0,6-1,0 0,9-1,4 — 0,7-1,0	1,8-2,0 3,6-3,7 2,4-4,0 4,7-5,0 3,4 6,3	0,03-0,10 0,05-0,03 0,08-0,12 0,15-0,30 0,10 0,02

В маркировке модельных составов буквы обозначают наименование компонентов: П — парафин; С — стеарин; Ц — церезин; Б — буроугольный воск; Ко — кубовый остаток крекинга; Т — торфяной воск, Тр — триэтаноламин; Пс — полистирол; Пэв — полиэтилен, Кб — карбамид; Бк — борная кислота; Нк — нитрат калия; К — канифоль; Св — сибирский воск. Цифры в маркировке указывают массовую долю (%) компонентов в составе.

Во вторую группу входят модельные составы на основе натуральных и синтетических смол, термопластов (например, полиэтилена, полистирола) с добавками воскообразных материалов (церезина, парафина и др.). От составов первой группы они отличаются более высокой прочностью и теплоустойчивостью. Однако высокая температура плавления ограничивает выбор технологического оборудования. Например, модели не выплавляются в горячей воде. Характерным составом второй группы является КПЦ 50—30—20 с температурой каплепадения 140°С.

Третья группа включает водорастворимые модельные составы на основе карбамида, азотных и азотнокислых солей щелочных металлов, поливинилового спирта и других материалов, плавящихся при температуре не выше 350°С. Эти составы обладают малой усадкой (около 0,20%), высокой прочностью, хорошо растворяются в воде. Их недостатки — хрупкость и гигроскопичность. Наиболее распространены составы КБ 98—2 и КН 90—10.

К четвертой группе относятся выжигаемые модельные составы. Наибольшее распространение получил вспенивающийся полистирол ПСВ-ЛД. Плотность изготовленных из него моделей составляет 0,24—0,30 г/см³, прочность при изгибе — 10—14 МПа, усадка — 0,2—0,3%.