автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Модельные композиции на основе синтетических материалов для литья по выплавляемым моделям деталей ГТД

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВИАМ)» ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

Оспенникова Ольга Геннадиевна

МОДЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

ДЕТАЛЕЙ ГТД Специальность: 05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена на ММПП «Салют»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РАН, Е.Н.Каблов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.М.Надежин, кандидат технических наук И.М.Демонис.

Ведущее предприятие: ОАО «ММП им. В.В.Чернышева»

Защита состоится « »_2001 г. в_часов

на заседании диссертацйонного Совета Д.048.02.01 при ГП ВИАМ

ГНЦ по адресу: 107005, г.Москва, ул. Радио, д. 17.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП ВИАМ ГНЦ.

Автореферат разослан « c^J?» fí S^Pí-f^UJ} 2000 г.

РОССИЙСКАЯ i ГОСУДАРСТВЕННАЯ | БИБЛИОТЕКА

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА

Тираж 40 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Развитие современной техники ставит перед исследователями задачи ) разработке новых материалов, отвечающих повышенным требованиям юизводства.

Одним из наиболее перспективных и прогрессивных способов получе-1я деталей газотурбинных двигателей (ГТД) является литье по выплав-[емым моделям, которое позволяет получать отливки сложной конфигу-щии, максимально приближенные к готовым деталям. Точность разме->в, конфигурация и качество деталей во многом зависят от модельной 1МПОзиции из которой изготовлены модели. Поэтому разработка новых сдельных композиций является чрезвычайно актуальной темой и требует транения отставания в этой области от зарубежных образцов. Применяющиеся в настоящее время модельные композиции имеют в оем составе в основном природные воска (торфяной, буроугольный), торые в настоящее время в силу ряда причин не всегда обеспечивают ебуемые физико-механические и технологические характеристики, зиентация разработчиков модельных композиций на природное сырье >жет привести к невозможности производства той или иной модельной мпозиции из-за выработки региональных месторождений. Так, напри-:р, в 1997 г. был прекращен выпуск модельной композиции ВИАМ - 102 причине отсутствия торфяного воска.

На основании вышесказанного актуальной в настоящее время является зработка и исследование модельных композиций на основе синтетиче-их полимерных материалов, выпускаемых предприятиями нефтеоргсин-5а.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью настоящей работы является исследование, разработка и внедрение в промышленность новых модельных композиций на основе синтетических материалов, обеспечивающих повышение качества и размерной точности литых деталей авиационных двигателей из жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Классификация модельных композиций и разработка теоретических предпосылок для создания новых составов на основе синтетических материалов, отвечающих современному уровню производства.

2. Разработка методик изыскания новых и усовершенствования имеющихся на данный момент модельных композиций, включая:

- определение функциональной роли компонентов в составе модельных композиций;

- классификацию и выбор исходных компонентов для модельных композиций;

- исследование свойств и морфологии выбранных компонентов с учетом их функциональной роли в модельных композициях;

- исследование взаимосвязи структурных и физико-механических характеристик модельных композиций.

3. Разработка технологии приготовления модельных композиций с заданными свойствами, применительно к широкому спектру оборудования для изготовления моделей.

4. Внедрение разработанных композиций в практику литья по выплавляемым моделям деталей авиационных и наземных газотурбинных установок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

.. Принципиально новый подход к разработке модельных композиций позволил установить, что композиции на основе синтетических материалов представляют собой твердые растворы различной степени насыщения полимеров и синтетических смол в н-алканах и изоалканах (парафинах и церезинах)

!. Определена функциональная роль каждого компонента в составе модельных композиций на основе синтетических материалов.

. Применение новых методик, ранее не применявшихся для создания модельных композиций, позволило исследовать и разработать составы модельных композиций в полной мере отвечающих комплексу требований, предъявляемых к модельным композициям.

. Впервые примененная методика определения текучести модельных композиций по аналогии с полимерами позволила разработать и исследовать модельные композиции, применительно к промышленному типажу прессового оборудования, от шприцмашин до гидравлических прессов.

. Исследования влияния олигомеров на свойства модельных композиций позволили впервые решить проблему повышения трещиноустойчивости существующих модельных композиций на основе природных и минеральных восков и смол (ВИАМ - 102, ЗГВ - 101, МВС - ЗА и др.) в интервале температур (15 - 25) °С путем введения в составы композиций жидкого олигомера, которым является поливинилбутиловый эфир. Введение эфира производится сверх 100 % и не требует специальной доработки состава композиций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

I. На основании проведенных исследований разработан базовый состав модельных композиций, имеющий широкие интервалы концентраций

каждого компонента, что позволяет варьировать составы композиций с целью получения заданных свойств, применительно к широкому спектру прессового оборудования для изготовления моделей.

2. На основе базового состава разработана и внедрена в серийное производство модельная композиция Салют - 3, имеющая повышенное содержание сэвилена и синтетической смолы и предназначенная для гидравлических и пневматических прессов. Такой состав композиции обеспечивает высокий уровень прочностных характеристик, но требует повышенных усилий прессования для тонкостенных моделей.

3. На основе базового состава разработана и внедрена в серийное производство модельная композиция Салют - 1, имеющая повышенное содержание парафина и предназначенная для пневматических шприц-машин. Такой состав композиции обеспечивает ей высокий показатель текучести расплава, что позволяет производить прессование моделей при минимальных усилиях на пневматических шприцмашинах.

4. Разработаны и утверждены технические условия на модельные композиции марки «Салют» (ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00), в которых отражены основные свойства композиций.

5. Разработаны и утверждены нормативные документы на изготовление модельных композиций.

6. Получено гигиеническое заключение №77.01.03.025.Т. 15215.05.0 на производство, поставку и реализацию модельных композиций на территории Российской Федерации.

7. Впервые внедрен в серийное производство в литейных цехах ФНПЦ ММПП «Салют» новый пластификатор для существующих модельных композиций на основе минеральных восков (ЗГВ - 101, МВС - ЗА, Р -3) - поливинилбутиловый эфир. Внедрение его позволило существенно расширить номенклатуру моделей, изготавливаемых из вышеуказанных модельных композиций.

8. На ФНПЦ ММПП «Салют» организовано малотоннажное производство модельных композиций мощностью 20 т/год для обеспечения потребностей литейных цехов предприятия. Выдано проектное предложение в план развития предприятия по организации расширенного производства модельных композиций мощностью 120 т/год с целью обеспечения потребностей машиностроительных предприятий.

ПРЕДМЕТ ЗАЩИТЫ.

Автор защищает:

1. Составы модельных композиций на основе синтетических материалов.

2. Результаты исследований модельных композиций на основе синтетических материалов и исходных компонентов для них.

3. Результаты исследований и новый пластификатор для повышения трещиноустойчивости существующих модельных композиций на основе природных восков.

4. Результаты исследований и методику выбора состава модельных композиций на основе синтетических материалов под технологическое оборудование для изготовления моделей.

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации выпущены 2 статьи, 3 научно-технических отчета по завершенным исследовательским работам, 7 технологических инструкций, 1-й технические условия, получены положительные решения по 3-м заявкам на патенты РФ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация объемом 145 страниц состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и включает 45 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 75 наименований отечественных и зарубежных

авторов. В приложении даются технические условия, гигиенический сертификат на модельные композиции, акт о внедрении разработанных модельных композиций в серийное производство.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность разработки и исследования модельных композиций на основе отечественных полимерных материалов; обсуждаются основные трудности, решение которых обеспечит практическую реализацию изготовления высокоточных отливок с использованием новых модельных композиций на основе синтетических материалов.

В первой главе «СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ» представлен обзор литературы. Дана классификация модельных композиций в зависимости от используемых исходных материалов. Проведен анализ выпускаемых отечественной промышленностью материалов, предназначенных для использования в модельных композициях. Сформулированы основные требования, предъявляемые к модельным композициям. Проведен анализ работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных разработке и исследованию модельных композиций на основе природных и синтетических материалов. Сформулирована цель и задачи работы, определены пути их решения.

Во второй главе «МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИИ» изложены методики экспериментальных исследований модельных композиций. Определение пенетрации, прочности при статическом изгибе, свободной линейной усадки, температур размягчения, каплепадения и теплоустойчивости проводили согласно стандартным методикам. Впервые для создания модельных композиций применена методика определения показателя текучести расплава по аналогии с полимерами, а также термический метод исследований исходных материалов и модельных композиций. При выборе методов исследования свойств

юходных материалов и модельных композиций руководствовались требованиями, предъявляемыми к размерной точности и качеству литых 1еталей авиационных и специальных двигателей. Кроме того, при выборе летодов исследования стремились к тому, чтобы результаты исследований зыли сравнимы по техническим показателям с данными других авторов, работающих в этом направлении.

Третья глава «ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИИ» содержит результаты экспериментальных исследований этечественных синтетических материалов, которые могут быть использо-

I

заны при изготовлении модельных композиций, а также исследования злияния вида и соотношения компонентов на свойства бинарных систем и модельных композиций в целом.

Ранее сложившийся стереотип создания модельных композиций заключался в основном в последовательном подборе компонентов и их количественного соотношения в составе модельной композиции для достижения оптимальных физико-механических и технологических параметров. Несмотря на привлечение методов математического планирования экспериментов, объем исследований растягивался на длительное время. Зачастую использование тех или иных веществ в качестве модельных материалов обусловливалось лишь наличием их в больших количествах в виде сопутствующих продуктов различного рода химических производств и соответственно их низкой стоимостью.

Наиболее перспективными и отвечающими современным требованиям литейного производства являются модельные композиции на основе синтетических материалов, которые по своей природе относятся скорее к низкотемпературным термопластам, чем к привычным воскообразным материалам. Поэтому в основу исследований была положена идея установить функциональную роль каждого компонента в составе модельных композиций: взаимный растворитель, пластификатор, упрочнитель.

Выявление функциональной роли каждого из компонентов позволило направленно регулировать физико-механические и технологические свойства модельных композиций.

Анализ кривых затвердевания позволил сделать вывод о том, что кинетика затвердевания модельных композиций на основе природных восков существенно отличается от синтетических (рис.1). Об этом можно судить по наличию на кривой затвердевания пологого участка, что свидетельствует о выделении скрытой теплоты кристаллизации исследуемого материала, а сам вид кривых идентичен кривым затвердевания металлических систем. Для материалов на основе синтетических компонентов характерна высокая скорость затвердевания, что близко к полимерам с низкой температурой плавления, причем ход кривых подобен аморфным системам типа стекол. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что для модельных композиций целесообразно выбирать материалы синтетического происхождения. Это позволяет снизить склонность модельных композиций к образованию утяжин на поверхности моделей, а так же повысить их физико-механические и технологические характеристики.

Синтетические материалы сами по себе не обладают необходимыми физико-механическими и технологическими характеристиками для модельных композиций, поэтому необходим компонент, являющийся взаимным растворителем для полимерных материалов. Этот компонент должен обладать хорошей текучестью, низкой температурой плавления и быть достаточно инертным к материалам керамической оболочки. На основании анализа существующих восковых материалов и твердых углеводородов установлено, что этим требованиям удовлетворяет парафин, который относится к классу н-алканов и имеет следующую структурную формулу: (- СН3 - (СН2)П - СН3 - ). Он хорошо сочетается с полимерными материалами, которые в свою очередь

Рис. 1. Кривые затвердевания модельных композиций.

1 -ЗГВ- 101,2-ВИАМ- 102,3-КС 2683К, 4 - Салют-3.

Рис. 2. Кривые затвердевания исходных компонентов для модельных

композиций. 1 - парафин, 2 - термополимерная смола, 3 - парафин с добавкой 20 % сополимера этилена с винилацетатом.

улучшают его структуру, измельчая ее (сам парафин обладает достаточно грубой структурой).

Анализ кривых затвердевания выбранных компонентов разрабатываемых модельных композиций (рис.2) показал, что в качестве стабилизирующих добавок к парафину следует использовать синтетические смолы, представляющие собой продукты полимеризации нефтяного сырья (соединений фракций С5, С8 - Сю и др.) и сополимеры этилена с винил-ацетатом при различном содержании винилацетата в сополимере, имеющие следующую структурную формулу: [- СН2 - СН - ]п, где Я - ацетатные

группы в сополимере.

Для изучения процесса затвердевания полимеров исследованы бинарные системы парафин - сэвилен при различном содержании сэвилена в парафине и при различном содержании винилацетата в сэвилене . Исследования и оптимизацию основных свойств модельных композиций проводили на бинарных композициях парафин - сэвилен и парафин -смола.

Анализ физико-механических характеристик композиций системы парафин - сэвилен показал, что оптимальным содержанием сополимера в системе является 10 - 15 %. При этом увеличивается до 5.5 МПа прочность композиции и до (10 - 12) единиц падает ее пенетрация (рис.3), что положительно сказывается на качестве изготовляемых моделей. Вместе с этим при данной концентрации сэвилена в композиции не происходит значительного увеличения температуры каплепадения композиции (она колеблется в пределах 3°С для каждой концентрации винилацетата в сэвилене) и снижения ее текучести (показатель текучести расплава изменяется не более чем на 50 г/10 мин, и не падает ниже 250 г/10 мин.) (рис.4). Это оказывает положительное влияние на технологические

ис. 3. Влияние сэвилена на прочность при статическом изгибе и пенетра-ию композиций системы парафин - сэвилен.

- 10 % винилацетата в сополимере, 2 - 28 % винилацетата в сополимере,

- 36 % винилацетата в сополимере.

ис. 4. Влияние сэвилена на текучесть и температуру каплепадения эмпозиций системы парафин - сэвилен.

- 10 % винилацетата в сополимере, 2-28 % винилацетата в сополимере,

- 36 % винилацетата в сополимере.

свойства модельных композиций, такие как температура запрессовки степень заполняемое™ тонкостенных прессформ.

Другой бинарной системой, выбранной для исследования являле композиция парафин - синтетическая смола. Полимерные смолы по свс природе относятся к аморфным стеклоподобным материалам. /! модельных композиций наиболее подходящими по своей природе свойствам являются нефтеполимерные и термополимерные смолы, котор обладают достаточно низкой температурой размягчения (не более 120 °С хорошей текучестью при температурах размягчения (не менее 200 г/10 ми Наряду с этим они хорошо совместимы с парафином (растворяются в не] хотя имеет место ограниченная растворимость смолы в парафине.

Исследования физико-механических свойств композиций систер парафин - смола были направлены на определение оптимального содеря ния смол в модельной композиции. Так как смолы играют роль упрочня щего компонента в системе, их содержание варьировалось в интервале (К 60) %.

На основании проведенных исследований физико-механически характеристик композиций системы парафин - синтетическая смол сделан вывод о том, что оптимальные свойства композиция приобретае при содержании смолы в ней (35 - 50) %. Композиции с содержание] вышеуказанного количества смолы обладают достаточно высоко прочностью при статическом изгибе (7 - 9.5 МПа) и твердостью (низко пенетрацией (4 - 7 ) единиц) (рис.5), высоким показателем текучест расплава (не ниже 200 г/10 мин) (рис.6), низкой линейной усадкой (н более 0.5 %) при температуре размягчения и каплепадения (60 - 70) °С Такой уровень свойств позволил в зависимости от конфигурации модел регулировать свойства модельной композиции в целом, т.е. получат заданную прочность, твердость и линейную усадку.

Проведенные исследования влияния вида и соотношения компонентов на свойства модельных композиций показали, что с увеличением концентрации синтетических смол в композиции существенно увеличиваются ее прочностные характеристики - до 10 МПа (рис. 7). При этом не происходит существенного увеличения температуры каплепадения и снижения (менее 200 г/10 мин.) показателя текучести расплава модельных композиций (рис.8). Установлено, что при введении в модельные композиции сополимера этилена с винилацетатом также происходит увеличение их прочностных характеристик - до (7 - 9 МПа) (рис.9) и при концентрации сэвилена свыше 15 % существенно снижается (до 150 г/10 мин) показатель текучести расплава модельных композиций (рис.10). Таким образом, установлено, что оптимальной концентрацией для синтетических смол в композиции является - (30 - 50) %, для сополимера этилена с винилацетатом - (2 - 10) % в зависимости от сложности изготавливаемых деталей.

В настоящей работе была поставлена задача установить взаимосвязь между структурными, физико-механическими и технологическими свойствами модельных композиций и их компонентов.

Были проведены микроскопические и рентгеноструктурные исследования исходных компонентов для модельных композиций и самих композиций как вновь разработанных, так и уже давно известных и применяемых в Российской промышленности. Изучение структуры модельных масс и их компонентов начали с рентгеноструктурного и микроскопического анализа исходных материалов и бинарных систем типа парафин - сэвилен и парафин - смола при различном содержании смолы и сэвилена.

Полученные дифрактограммы исходных материалов позволяют сделать вывод о том, что природные воска: торфяной и буроугольный имеют ярко выраженную кристаллическую структуру близкую к парафину по набору наиболее интенсивных отражений, однако по-видимому значительно более

Пенет-рация (0.1мм) 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 стюг МПа 9.0 8.0 7.0 6.0 --

N4

<> N У

Ч\ У

ч ч

ч ч

ч

^ 2.

-

У

10 20 30 40 50 % смолы Рис. 5. Влияние синтетических смол на прочность при статическом изгибе и пенетрацию композиций системы парафин - синтетическая смола. 1 - термополимерная смола, 2 - нефтеполимерная смола.

ПТР г/10 мин 600 500 400 300 200

1 N

V ч

N

2

10 20 30 40 50 % смолы

Рис. 6. Влияние синтетических смол на текучесть композиций системы парафин - синтетическая смола.

1 - термополимерная смола, 2 - нефтеполимерная смола.

Пенет-рация (0.1мм) 12.0 0"изг МПа 9.0 8.0 7.0 6.0 -"ч ч

\ ч

nn n -

10.0 8.0 6.0 4.0 \ ч n ^

\ ч

V

/;

А /у

^ 2.

30 35 40 45 50 % смолы Рис. 7. Влияние синтетических смол на прочность и пенетрацию модельных композиций.(1 - термополимерная смола, 2 - нефтеполимерная смола)

ПТР г/10 мин 600 500 400 300 200 тк,°с 80 75 70 65 60 / у / __—' / ^ \ X Ч. х / / ч. < ч.

о

N

2

N \

ч

1 /

/ ' /

/ / У > у

*

—г

30 35 40 45 50 % смолы Рис. 8. Влияние синтетических смол на текучесть и температуру каплепа-дения модельных композиций.

1 - термополимерная смола, 2 - нефтеполимерная смола.

Рис. 9. Влияние сэвилена на прочность и пенетрацию модельных компози-ций.(1 - 10 % винилацетата в сополимере, 2-28 % винилацетата в сополимере, 3-36 % винилацетата в сополимере).

Рис. 10. Влияние сэвилена на текучесть и температуру каплепадения модельных композиций.(1 - 10 % винилацетата в сополимере, 2-28 % винилацетата в сополимере, 3 - 36 % винилацетата в сополимере).

дисперсную (с более короткими молекулами), что характеризуется значительной шириной и малой интенсивностью дифракционных линий на больших углах. Данные рентгеноструктурных исследований подтверждаются микроскопическими исследованиями парафина и природных восков. На рис. 11 представлены фотографии микроструктуры парафина, буро-угольного и торфяного воска. На представленных фотографиях видно, что воска, в отличие от парафина, обладают однородной мелкокристаллической структурой, В связи с этим следует также отметить, что воска по сравнению с парафином обладают более высокой прочностью (4.0 - 4.5 МПа).

Результаты микроскопических исследований бинарной системы парафин - сэвилен показывают, что с увеличением содержания сополимера в парафине структура становится мельче и зерна приобретают округлую форму. Следовательно можно сделать вывод о том, что сополимер упорядочивает структуру парафина, значительно измельчая ее.

Измельчение структуры приводит к росту прочности и снижению пенетрации композиции парафин - сэвилен. С увеличением содержания сэвилена в бинарной композиции от 5 до 25 % прочность возрастает с 3.5 до (5 - 7) МПа, а пенетрация снижается с 15 до (4 - 7) единиц в зависимости от содержания винилацетата в сэвилене (см. рис. 3).

Результаты рентген оструктурного анализа композиций системы парафин - синтетическая смола показывают, что смола имеет ограниченную растворимость в парафине. При содержании смолы до 20 % раствор имеет ярко выраженную кристаллическую структуру, аналогичную структуре парафина с близкими кристаллографическими характеристиками. При содержании смолы свыше 20% на дифрактограммах появляется аморфное гало, интенсивность которого увеличивается с ростом содержания смолы. Это говорит об увеличении количества аморфной компоненты в составе композиции.

Рис. 11. Микроструктура природных восков. 1 - парафин, 2 - буроуголь-ный воск, 3 - торфяной воск.

Рис. 12. Микроструктура композиций парафин - синтетическая смола.

1 - 10 % смолы, 2-20 % смолы, 3-40 % смолы в композиции.

Микроскопические исследования композиций парафин - синтетическая смола подтверждают наличие двухфазной системы, состоящей из кристаллической и аморфной компоненты (рис.12).

На основании вышесказанного можно сделать вывод о том, что повышение концентрации синтетической смолы в составе композиции приводит к увеличению количества аморфной компоненты, что способствует росту прочностных характеристик (см. рис.5). Так при содержании смолы свыше 20 % начинается резкий рост прочности композиции, величина которой достигает (8.5 - 9.0 МПа) при концентрации смолы 50%.

Модельные композиции на основе синтетических материалов (термополимерной смолы и сэвилена) имеют дифрактограммы, качественно отличающиеся от композиций на основе природных компонентов. Модельная композиция Салют - 3 дает дифракционную картину, которая сочетает весь набор линий парафина и гало, соответствующее аморфной составляющей. Аналогичную картину дает композиция Салют - 1, но с меньшей интенсивностью аморфного гало, что говорит о меньшем содержании аморфной компоненты.

На рис. 13 представлена микроструктура модельных композиций на основе синтетических материалов, которая характеризуется наличием двух фаз: аморфной и кристаллической. Содержание аморфной составляющей зависит от содержания термополимерной смолы в составе композиции. Прочностные характеристики модельных композиций также во многом зависят от количества синтетических смол в составе композиции (см. рис.7). Это связано с количеством аморфной компоненты в структуре композиции, т.е. чем больше ее содержание, тем выше прочностные характеристики.

Таким образом, исследования структуры модельных композиций и их компонентов подтверждают наше заключение о том, что модельные композиции на основе синтетических компонентов относятся к классу

Рис. 13. Микроструктура модельных композиций.

1 - Салют -1,2- Салют - 3. термопластов и образуют с парафином ряд твердых растворов различно! степени насыщения.

В четвертой главе «РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИ1 ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНШ МОДЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ И МОДЕЛЕЙ» представлены результать разработки и исследования технологических параметров изготовление модельных композиций и моделей из них в зависимости от состава физико-механических характеристик и текучести модельных композиций Проведенный комплекс исследований взаимного влияния компоненте] позволяет варьировать состав модельных композиций в зависимости о* свойств, которые необходимо получить, поэтому состав модельны: композиций в полном объеме можно представить как:

Парафин-(35 -70)%

Сополимер этилена с винилацетатом - (2 - 15) %

Синтетическая смола - (30 - 70) %.

Такие широкие интервалы содержания каждого компонента, входящего в состав модельных композиций позволяют охватить полный спектр применяемого в промышленности оборудования, от шприцмашин до современного прессового оборудования. Так же это позволяет использовать разработанные композиции для широкой номенклатуры изготавливаемых моделей, от простейших до самых сложных тонкостенных деталей.

Технологический процесс изготовления модельных композиций вышеуказанного состава включает в себя две основные стадии:

1 - приготовление пластификатора на основе парафина с различным содержанием сополимера этилена с винилацетатом;

2 - приготовление собственно модельной композиции, т.е. смешивание пластификатора с синтетической смолой в нужном соотношении

Такой порядок приготовления модельных композиций основан на том, что сополимер этилена с винилацетатом образует непрерывный ряд твердых растворов с парафином, которые затем смешиваются с синтетическими смолами. Таким образом достигается высокая однородность структуры модельных композиций и высокая стабильность их физико-механических и технологических характеристик.

Основным параметром, оказывающим существенное влияние на технологичность модельных композиций является их текучесть. Поэтому при разработке технологических процессов изготовления моделей исследовали текучесть модельных композиций при разных температурах и под различными нагрузками. Анализ полученных зависимостей текучести модельных композиций от температуры и прилагаемой нагрузки (см. рис. 14, 15) позволяет выбрать оптимальные режимы изготовления моделей различной конфигурации в зависимости от наличия того или иного типа оборудования, применяемого для производства моделей.

ПТР г/10 мин 700 600 500 400 300

/ // / /

/ /2

/ /. /

/ А

/ У

У У

у

у

50 55 60 65 70 Т,°С

Рис.14. Влияние температуры на текучесть модельных композиций. 1 - Салют — 1,2 — Салют - 3 (при нагрузке 100 г.).

ПТР г/10 мин 700 600 500 400 300 |

/

/

У

Г/1

/

У

/

100 200 300 400 500 нагрузка, г

Рис.15. Влияние прилагаемой нагрузки на текучесть модельных композиций (при температуре 65 °С).1 - Салют -1,2- Салют - 3.

Таким образом, на основании полученных данных разработана методика подбора технологических параметров изготовления моделей в зависимости от показателя текучести расплава модельных композиций различного состава. Эта методика позволяет выбрать оптимальные технологические параметры изготовления моделей в зависимости от сложности их конфигурации.

Пятая глава «РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ПЛАСТИФИКАТОРА ДЛЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ И МИНЕРАЛЬНЫХ ВОСКОВ» посвящена разработке и исследованию влияния нового пластификатора на свойства существующих модельных композиций на основе природных и минеральных восков.

На первом этапе исследований был проведен анализ имеющихся и производимых в настоящее время синтетических компонентов, совместимых с парафином и природными восками, которые могли бы выступить в роли пластификатора в модельных композициях и не требовали бы корректировки состава.

На основании проведенного анализа было подобрано вещество (относящееся к классу жидких олигомеров), идеально совместимое с парафином и природными восками, а также с синтетическими восками и смолами. Этим веществом является поливинилбутиловый эфир (молекулярная масса 3500 - 6500), имеющий следующую химическую формулу: С16 Н34 Оз(Сб Н]2 0)п.

Дальнейшая работа была направлена на исследование влияния поливи-нилбутилового эфира на свойства исходных компонентов и модельных композиций в целом.

Исследование влияния поливинилбутилового эфира на прочность модельных композиций проводили согласно методикам, изложенным во 2 главе настоящей работы. Исследования трещиноустойчивости модельных

композиций проводили на моделях рабочих лопаток ГТД, имеющих очень сложную конфигурацию внутренней и наружной полости. Содержание поливинилбутилового эфира варьировали в интервале (1 - 25) %.

На рис. 16 представлены графики зависимости прочности парафина и буроугольного воска с добавками поливинилбутилового эфира. Из приведенных зависимостей.видно, что зависимость прочности парафина и воска от содержания эфира носит ярко выраженный экстремальный характер. При содержании поливинилбутилового эфира в парафине до 15 % прочность композиции возрастает, а далее наблюдается ее падение, и при содержании эфира 20 % она становится равной прочности чистого парафина. Аналогичная картина наблюдается при введении поливинилбутилового эфира в буроугольный воск (кривая 2). При содержании эфира в воске до 10 % прочность композиции возрастает, а при содержании эфира свыше 15 % наблюдается ее резкое падение. Трещиноустойчивость композиций с введением поливинилбутилового эфира значительно возрастает. При содержании поливинилбутилового эфира в парафине и буроугольном воске 5 %, наличие трещин снижается на 50 % (без добавки поливинилбутилового эфира 100 % моделей имеют трещины), т.е. из 10 отпрессованных моделей только 5 имеют видимые трещины. При содержании поливинилбутилового эфира (10 - 15) % трещины на моделях отсутствуют. Таким образом, можно предположить, что оптимальным содержанием поливинилбутилового эфира в модельных композициях -будет — (10 — 15) в зависимости от их состава.

■ На рис. 17 представлены графики зависимости прочности модельных композиций при статическом изгибе от содержания поливинилбутилового эфира. Из приведенных данных видно, что зависимость сопротивления статическому изгибу модельных композиций от содержания в них эфира носит ярко выраженный экстремальный характер. Так, при содержании в модельной композиции ЗГВ - 101 10 % поливинилбутилового эфира

ст ^ изг. МПа 9.0 8.0 7.0 6.0

/

Л

/ / ■ч

А N V

/ / \ \

/ / ч

10

15

20

эфира

Рис.16. Влияние поливинилбутилового эфира на прочность парафина и восков. 1 - парафин, 2 - буроугольный воск.

1 5 10 15 20 % эфира

Рис.17. Влияние поливинилбутилового эфира на прочность модельных композиций на основе природных восков.1 - ЗГВ -101,2- ВИАМ - 102, 3 - МВС - ЗА, 4 - Р - 3.

прочность композиции возрастает до 9 МПа и достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение содержания поливинилбутилового эфира в композиции приводит к падению ее прочности. Аналогичный характер зависимости наблюдается и у композиций ВИАМ - 102, Р - 3 и МВС - ЗА. Такой ход кривой зависимости прочности модельных композиций от содержания в них поливинилбутилового эфира объясняется тем, что поливинилбутиловый эфир равномерно растворяется в модельных композициях на основе природных восков и парафина. Это приводит к повышению прочности и трещиноустойчивости композиций, так как поливинилбутиловый эфир в расплаве образует связи с парафином и восками посредством имеющихся на концах молекул активных метиловых групп. Увеличение содержания поливинилбутилового эфира в системе свыше 15 % приводит к тому, что в системе образуется избыток жидкого олигомера, что вызывает разрыхление структуры и падение прочности модельных композиций.

На рис. 18 представлены графики зависимости показателя текучести расплава модельных композиций от содержания в них поливинилбутилового эфира. Из приведенных данных видно, что зависимость показателя текучести расплава от содержания эфира носит достаточно выраженный экстремальный характер. Так при содержании в композициях до 10 % поливинилбутилового эфира показатель текучести расплава несколько возрастает. Это связано, по видимому, с тем, что поливинилбутиловый эфир, растворяясь в модельной композиции, улучшает ее текучесть в жидком и пастообразном состоянии. При введении в композиции поливинилбутилового эфира свыше 15 % начинает резко нарастать вязкость композиций (эфир является вязким веществом) и следовательно текучесть композиций в целом начинает резко падать.

Рис.18. Влияние поливинилбутилового эфира на текучесть модельных композиций на основе природных восков.1 - ЗГВ - 101, 2 - ВИАМ - 102, 3 - МВС - ЗА, 4 - РЗ.

На основании представленных результатов можно сделать заключение о том, что оптимальным содержанием поливинилбутилового эфира в композициях на основе парафина и природных восков является (5-15) %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что модельные композиции на основе синтетических материалов, в отличие от композиций на основе природных и минеральных восков, представляют собой твердые растворы олигомеров в н-алканах различной степени насыщения. Модельные композиции на основе природных и минеральных восков относятся к многофазным дисперсным системам.

2. Впервые установлена функциональная роль каждого компонента в составе модельных композиций на основе синтетических материалов:

взаимный растворитель - н-алканы (парафины - СН3 - (СН2)П - СН3, где п = 16 - 55) и изоалканы (церезины - СН3 - СН2 - (^Н - (СН2)П - СН3,

СН3

где п > 16);

пластификатор - сополимеры этилена с винилацетатом (сэвилены) с различным содержанием винилацетата в сополимерах, имеющие следующую структурную формулу: [-СНг -|СН -]„, где Я - количество

И

ацетатных групп в сополимере;

упрочняющий компонент - полимерные смолы (нефтеполимерные, термополимерные), представляющие собой продукты полимеризации нефтяного сырья (соединений фракций С5, С% - Сю и др.).

3. Исследования термическим методом фазовых превращений при переходе из жидкого в твердое состояние каждого компонента модельных композиций показали, что взаимные растворители кристаллизуются в интервале температур, полимерные смолы и сополимеры затвердевают аморфно.

4. Установлено, что существующие модельные композиции на основе природных и минеральных восков и смол (ВИАМ - 102, ЗГВ - 101 и др.) при охлаждении кристаллизуются в широком интервале температур. Это не позволяет им в полной мере обеспечить стабильную и низкую линейную усадку, что сказывается на геометрической точности изготовляемых моделей. Впервые показано что новые модельные композиции на основе синтетических материалов, несмотря на присутствие парафина или воска, затвердевают аморфно и обеспечивают стабильную усадку.

5. Впервые показано, что при составлении модельных композиций необходимо использовать термический метод, учитывая его взаимо-

связь с теплофизическими (удельная теплоемкость и др.) свойствами отдельных компонентов и композиции в целом.

6. В результате проведенных рентгеноструктурных исследований определено оптимальное соотношение кристаллической и аморфной фаз в модельных композициях в зависимости от их состава. Установлена взаимосвязь данного соотношения с физико- механическими свойствами композиций.

7. Микроскопическим методом исследований получена информация о морфологии модельных композиций на основе синтетических материалов, которая подтверждает вывод о том, что они представляют собой твердые растворы олигомеров в н-алканах различной степени насыщения.

8. Впервые применена методика определения текучести по аналогии с полимерами, для изучения модельных композиций и составляющих их компонентов. Текучесть модельных композиций является одним из основных свойств, определяющих выбор технологических параметров изготовления моделей.

9. Впервые решена проблема повышения трещиноустойчивости существующих модельных композиций на основе природных и минеральных восков и смол (ВИАМ - 102, ЗГВ - 101, МВС - ЗА и др.) в интервале температур (15 - 25) °С при хранении моделей и сборке модельных блоков путем введения в составы композиций жидкого олигомера, которым является поливинилбутиловый эфир. Введение эфира производится сверх 100 % и не требует специальной доработки состава композиций.

Ю.На основании проведенных исследований разработан базовый состав модельных композиций, в полной мере отвечающий комплексу требований, предъявляемых к модельным композициям для литья деталей ГТД. Широкие интервалы концентрации каждого компонента дают

возможность варьировать составы композиций с целью получения заданных свойств, применительно к широкому спектру прессового оборудования для изготовления моделей.

11.На основе базового состава разработана и внедрена в серийное производство модельная композиция Салют - 3, имеющая повышенное содержание сэвилена и синтетической смолы и предназначенная для гидравлических и пневматических прессов. Такой состав композиции обеспечивает высокий уровень прочностных характеристик, но требует повышенных усилий прессования для тонкостенных моделей.

12.На основе базового состава разработана и внедрена в серийное производство модельная композиция Салют - 1, имеющая повышенное содержание парафина и предназначенная для пневматических шприц-машин. Такой состав композиции обеспечивает ей высокий показатель текучести расплава, что позволяет производить прессование моделей при минимальных усилиях.

13.Разработаны и утверждены технические условия на модельные композиции марки «Салют» (ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00), в которых отражены основные свойства композиций.

14.Разработаны и утверждены нормативные документы на изготовление модельных композиций.

15.Получено гигиеническое заключение №77.01.03.025.Т.15215.05.0 на производство, поставку и реализацию модельных композиций на территории Российской Федерации.

16.Впервые внедрен в серийное производство в литейных цехах ФНПЦ ММПП «Салют» новый пластификатор для существующих модельных композиций на основе минеральных восков (ЗГВ -101, МВС - ЗА, Р -3) - поливинилбутиловый эфир. Внедрение его позволило существенно расширить номенклатуру моделей, изготавливаемых из вышеуказанных модельных композиций.

7.На ФНПЦ ММПП «Салют» организовано малотоннажное производство модельных композиций мощностью 20 т/год для обеспечения потребностей литейных цехов предприятия. Выдано проектное предложение в план развития предприятия по организации расширенного производства модельных композиций мощностью 120 т/год с целью обеспечения потребностей машиностроительных предприятий.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

О.Г.Оспенникова, Е.Н.Каблов, В.Н.Щункин. Разработка и исследование пластификатора для модельных композиций на основе природных восков. Научно-технический сборник «Авиационные материалы и технологии». Выпуск «Ремонтные технологии в авиастроении». Москва 2001г.

О.Г.Оспенникова, Е.Н.Каблов, В.Н.Щункин. Модельные композиции на основе синтетических материалов для литья лопаток ГТД. Научно-технический сборник «Авиационные материалы и технологии». Выпуск «Ремонтные технологии в авиастроении». Москва 2001г. Заявка на патент РФ № 2000106411/02(006815). Композиция для изготовления выплавляемых моделей. (О.Г.Оспенникова, В.Н.Щункин и др.). Заявлено: 17.03.2000г.

Заявка на патент РФ № 2000113754/02(014652). Композиция для изготовления выплавляемых моделей. (О.Г.Оспенникова, В.Н.Щункин и др.). Заявлено: 31.05.2000г.

Заявка на патент РФ № 2000113755/02(014653). Композиция для изготовления выплавляемых моделей. (Ю.С.Елисеев, В.А.Поклад, О.Г.Оспенникова и др.). Заявлено: 31.05.2000г.

6. Технический отчет №01.66.1675. Результаты разработки и апробации модельной массы ОГМет - 1 в цехах №3 и 38. Ответственный исполнитель: О.Г.Оспенникова. Выпущен на ММПП «Салют»: 10.01.2000г.

7. Технический отчет №01.66.1602. Разработка и апробация модельной массы Салют - 3 ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00 в литейных цехах. Ответственный исполнитель: О.Г.Оспенникова. Выпущен на ММПП «Салют»: 14.04.2000г.

8. Технический отчет №01.66.1652. Разработка и апробация модельной массы Салют - 1 ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00 в цехе №30 на деталях изделия 99. Ответственный исполнитель: О.Г.Оспенникова. Выпущен на ММПП «Салют»: 03.08.2000г.

9. ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00. Композиции модельные. Технические условия. Дата введения: 01.06.2000г.

10.Технологическая инструкция №05.66.016 р.2. Приготовление модельного состава на основе массы ЗГВ - 101, изготовление моделей деталей и элементов литниковой системы, сборка модельных блоков для литья по выплавляемым моделям. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 03.04.2000г.

11 .Инструкция №05.66.154. Определение пенетрации (глубины проникания иглы) для модельных композиций и их компонентов. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 17.03.2000г.

12.Инструкция №05.66.159. Определение температуры размягчения модельных композиций и их компонентов по кольцу и шару. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 14.04.2000г.

13 .Инструкция №05.66.172. Определение температуры каплепадения модельных композиций и их компонентов. Разработчик:

О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 11.05.2000г.

4.Инструкция №05.66.178. Приготовление модельных композиций Салют - 1 и Салют - 3 ТУ 0255 - 001 - 07507216 - 00. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 14.06.2000г.

5.Инструкция №05.66.179. Приготовление модельной массы на основе композиции Салют - 3. Изготовление моделей деталей и элементов литниковой системы, сборка модельных блоков для литья по выплавляемым моделям. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 30.06.2000г.

5.Инструкция №05.66.180. Приготовление модельной массы на основе композиции Салют - 1. Изготовление моделей деталей и элементов литниковой системы, сборка модельных блоков для литья по выплавляемым моделям. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Инструкция выпущена на ММПП «Салют»: 10.07.2000г.

1.Технологический процесс. Приготовление модельных композиций Салют - 1, Салют - 3. Разработчик: О.Г.Оспенникова. Выпущен на

ММПП «Салют»: 10.07.2000г.