Представиться системе:

Разделы


Материалы для литья по выплавляемым моделям сплавов золота и серебра


  1.  МАТЕРИАЛЫ

 

Для литья по выплавляемым моделям сплавов золота и серебра используются различные материалы, важнейшими из которых являются формовочная масса, материалы для изготовления выплавляемых моделей (модельные воски) и специальные сорта резины для изготовления пресс-форм. Перечисленные выше материалы поставляются в комплекте с оборудованием с приложением инструкций, в которых излагаются правила работы с этими материалами, но никакие сведения о химическом составе, физико-механических свойствах и технологии  их производства при этом не указываются.

В 1969 — 1972гг. во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте ювелирной промышленности была проделана большая и сложная работа по анализу свойств импортных материалов, необходимых для литья по выплавляемым моделям [5, 6]. Результаты этих исследований изложены ниже.

Формовочные массы. В настоящее время в ювелирной промышленности используют три типа импортных формовочных масс: К-90, «Сатинкаст» и «Суперкаст». В процессе исследований определялись химический состав, влажность, потери при сушке и прокали­вании, сроки затвердевания, термическое расширение при нагреве, газопроницаемость, прочность на сжатие при различных температурах, а также проводился петрографический анализ.

Химический состав формовочных масс определялся спектральным и рентгеновским методами.

Влажность формовочных масс устанавливалась стандартным методом высушивания навесок материалов массой 3 — 5 г в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 110°С.

Определение потерь веса формовочных масс при прокаливании производилось путем нагрева навесок материалов в муфельной электропечи МП-2У.

Время затвердевания находилось путем погружения иглы в формовочную массу, затворенную водой в фарфоровой чашке. Началом затвердевания считался тот момент, когда игла при опускании через каждые 30 с в первый раз не дошла до дна. Концом — тот момент, когда игла при опускании погружалась в массу на глубину не более 0,5 мм.

Определение объемных изменений формовочных масс при нагреве осуществлялось с помощью термического и дилатометрического анализов. Первый способ давал возможность установить температуры объемных превращении, а второй — их величину. Дилатометр ДКВ позволил с высокой точностью провести измерение линейных размеров образцов в широком диапазоне температур.

Определение газопроницаемости производилось путем про­пускания определенного объема воздуха при температуре 15—20 С через образец цилиндрической формы.

Величина  газопроницаемости рассчитывается по формуле:

 

К=103Vh/Fpτ   (1)

 

Где V — объем воздуха, прошедшего через образец, см3; h — высота образца, см; F — площадь поперечного сечения образца, см2; р — давление воздуха перед образцом, кгс/см2; τ — время, в течение которого через образец прошло 2000 см2 воздуха, мин.

Газопроницаемость выражается числом без указания единиц измерения. Для определения газопроницаемости использовался стандартный прибор колокольного типа [7].

Прочность формовочных смесей на сжатие при различных тем­пературах определялась на специально оборудованном гидравлическом прессе. Испытывались образцы диаметром и длиной 50 мм соответственно. Режимы нагрева образцов имитировали следующие реальные условия прокалки форм:

от 20°С до 150°С — время нагрева по мощности печи;

от 150°С до 250°С — в течение 1 ч;

от 250°С до 300°С— в течение 1 ч;

от 300°С до 450°С— в течение 1 ч;

от 450°С до 700°С — в течение 2 ч.

Выдержка образцов при заданных температурах производилась в течение 2 ч.

Петрографический анализ формовочных масс проводился на световых микроскопах в иммерсионных препаратах. Определение показателей преломления, формы и величины зерна, трещиноватости и диагностирование компонентов осуществлялось на поляризационном микроскопе МИН-8 при средних увеличениях.

Результаты спектрального анализа формовочных масс «Суперкаст», К-90 и «Сатинкаст» даны в табл. 4.

 

Таблица 4. Результаты спектрального анализа формовочных масс

 

Наименование формовочных масс

Содержание составляющих элементов, %

Si

Ca

Al

Na

Mg

Fe

К90

30

10

0,03

0,03

0,2

0,03

Сатинкаст

30

10

0,03

0,03

0,2

0,03

Суперкаст

30

15

0,05

0,2

0,3

0,03

 

Из данных табл. 4 следует, что все три массы подобны по своему химическому составу и состоят из окислов кремния (SiO2) и гипса (СaSO4 • nН2O). Масса «Суперкаст» имеет повышенное содержание гипса и натрия. Последнее связано, очевидно, с использованием буры (Na2В2О3 • nН2О) в качестве замедлителя схватывания гипса.

Анализ рентгенограмм показал, что двуокись кремния в формовочных массах присутствует в виде кварца и кристобалита. Гипс в формовочных массах представлен, в основном, полугидратом ( СаSO4 • 1/2 Н2О), но имеется и вредный двугидрат (СаSO4 • 2Н2О), количество которого зависит от влажности формовочной массы и условий ее хранения.

Исходная влажность вышеуказанных формовочных масс колеблется в пределах от 0,20 до 0,50%.

В табл. 5 представлены данные о потерях веса при сушке и прокаливании формовочных масс (К-90, «Сатинкаст» и «Суперкаст»). Наибольшая потеря веса происходит при нагреве до 200° С. Это объясняется тем, что двуводный гипс (СаSO4 • 2Н2O) в этом интервале температур разлагается на полуводный гипс (CaSO4 • 1/2 Н2O) и воду, а затем превращается в безводный ангидрит (СаSO4).

Таблица 5. Потери веса при сушке и прокаливании формовочных масс

 

Температура нагрева, °С

Потери веса, %

К-90

Сатинкаст

Суперкаст

1

2

1

2

1

2

50

0,21

11,1

0,23

11,4

0,25

4,4

100

0,05

2,6

0,02

1,2

0,35

6,4

200

1,0

50,2

1,05

52,0

3,7

63,5

300

0,2

10,4

0,24

11,8

0,56

9,7

500

0,27

14,8

0,25

12,2

0,43

7,5

700

0,21

10,9

0,23

11,4

0,48

3,5

Общее

1,94

100

2,02

100

5,77

100

 

Примечание

В графе 1 приведены значения потерь в процентах от начального веса на воски, в графе 2 — от общей потери веса.

При повышении температуры от 200 до 450°С — 750°С полуводный гипс полностью переходит в ангидрит.

Из данных табл. 5 следует, что потери веса при нагреве образцов формовочных масс К-90 и «Сатинкаст» в 3 раза меньше, чем у массы «Суперкаст», что связано, очевидно, с ее более высокой влажностью и повышенным содержанием гипса.

Данные о времени затвердевания формовочных масс приведены в табл. 6.

 

Таблица 6. Сроки твердения формовочных масс

 

Границы процесса

Продолжительность процесса, мин

К-90

Сатинкаст

Суперкаст

Начало

12-15

14-18

5-7

Конец

22-25

24-38

14-18

Результаты измерений коэффициентов термического расширения формовочных масс К-90, «Суперкаст» с «Сатинкаст» при температурах от нормальной до 700° С представлены в табл. 7.

 

Таблица 7. Термическое расширение формовочных масс

Марки формовочных масс

Термическое расширение, % при различных значениях температур, °С

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

700

К-90

0,06

0,13

0,35

0,08

1,23

1,31

1,37

1,4

1,42

1,44

1,44

1,52

Сатинкаст

0,08

0,14

0,38

0,01

1,29

1,37

1,45

1,47

1,48

1,48

1,48

1,51

Суперкаст

0,05

0,11

0,31

0,92

1,1

1,2

1,26

1,29

1,3

1,3

1,3

1,31

 

У всех вышеперечисленных формовочных масс в интервале температур от 150 °С до 300 — 350° С происходят значительные объемные изменения, которые могут приводить к появлению трещин в формах, если не соблюдать оптимальный режим прокаливания опок.

Результаты определения газопроницаемости формовочных масс К-90, «Сатинкаст» и «Суперкаст» показали, что наибольшей величиной газопроницаемости обладает масса К-90 (К=1,79-1,87), несколько уступает ей масса «Сатинкаст» (К=1,71-1,82), а масса «Суперкаст» имеет минимальную газопроницаемость (К=1,62-1,73).

Данные о прочности на сжатие формовочных масс К-90, «Сатинкаст» и «Суперкаст» в интервале температур 20 — 800°С приведены в табл. 8.

 

Таблица 8. Прочность на сжатие формовочных масс при различных температурах

 

Марки формовоных масс

σсж, кгс\см2, при различных температурах, °С

20

100

200

300

400

500

600

700

800

К 90

5,2

5,0

4,0

3,4

3,7

3,7

3,5

3,5

7,9

Сатинкаст

5,0

5,0

4,8

3,5

3,7

3,6

3,5

3,6

7,7

Суперкаст

5,9

5,8

5,5

4,0

4,0

3,8

3,8

3,8

8,5

 

 

Резкое увеличение прочности на сжатие у всех формовочных масс при нагреве выше 700 °С вызвано, очевидно, разложением гипса и химическим взаимодействием СаО с кремнеземом.

Петрографический анализ вышеуказанных формовочных масс позволил установить, что они состоят из дисперсного материала с крупностью частиц от 10 до 80 мкм, однако в них могут встречаться более крупные комковатые образования, содержащие кремнезем и небольшое количество гидратированного гипса.

Материалы для изготовления выплавляемых моделей (модельные воски). Для исследования были взяты три импортных модельных воска — светло-зеленый, темно-зеленый и буро-желтый. Определялись следующие основные свойства восков: плотность, относительная твердость, температура каплепадения и застывания, начало и конец застывания.

Учитывая сложность анализа составов модельных восков, были сняты и исследованы их инфракрасные спектры.

Плотность исследуемых восков измерялась при температуре 23°С на образцах, не подвергавшихся переплавке. Результаты определения плотности восков даны в табл. 9.

 

Таблица 9. Плотность и твердость модельных восков

Наименование восков

Плотность г/см3

Показание шкалы твердомера, ед ТИР

Разность показаний

В «нулевой момент»

Через 5с после «нулевого момента»

Светло-желтый

1,11

90

88

2

Темно-зеленый

0,98

91

90

1

Буро-желтый

0,98

93

93

1

 

Измерение твердости модельных восков производилось путем измерения глубины проникновения нормализованной иглы под не­обходимым давлением в течение определенного времени в испытуемый образец. Относительная твердость исследуемых импортных восков была найдена с помощью прибора типа ТИР [9]. Максимальное показание шкалы (100) твердомер дает для стеклянной и металлической поверхностей.

Измерения проводились на образцах с гладкой поверхностью, в различных его точках. Отсчеты показаний шкалы твердомера снимались в момент соприкосновения иглы прибора с поверх­ностью образца («нулевой») и через 5 с после этого соприкоснове­ния. Средние результаты экспериментов даны в табл. 9.

Анализируя данные табл. 9, следует отметить, что светло-зеленый воск обладает повышенной плотностью и меньшей твердостью

по сравнению с темно-зеленым и буро-желтым восками, что отрицательно сказывается на его технологических свойствах — полноте выплавления из литейных форм и сохранения формы восковых моделей.

Знание температур начала и конца плавления воска, а также температур начала и конца его застывания необходимо литейщику для правильного ведения технологического процесса получения восковых моделей в зависимости от их веса и конфигурации. Эти данные для случая использования резиновых прессформ приведены в табл. 10. Температуры плавления и застывания импортных восков определялись по методике, изложенной в литературе [11, 12].

 

Таблица 10. Температуры плавления и застывания модельных восков

Наименование восков

Температура, °С

Размягчения

плавления

Начала застывания

Полного застывания

Светло-зеленый

58,9

61,9

56,0

51,5

Темно-зеленый

65,0

69,0

63,0

62,0

Буро-зеленый

63,8

67,0

64,0

61,3

 

Результаты, приведенные в табл. 10, свидетельствуют о большей легкоплавкости светло-зеленого воска по сравнению с темно-зеленым и буро-желтым восками. Интервал затвердевания  темно-зеленого воска меньше, чем у светло-зеленого и буро-желтого восков.

Для определения состава и природы импортных восков были получены их инфракрасные спектры, а также инфракрасные спектры полиэтиленового воска и синтетической части итальянского темно-зеленого воска (рис. 28) [10].

Изучение инфракрасных спектров показало следующее:

  1. Интенсивную полосу поглощения в области 3450 см-1, которую дают валентные колебания ОН-группы.
  2. Сильную полосу поглощения в области 2850 — 2920 см-1, ко­торую дают валентные колебания СН2-группы.
  3. Слабую полосу поглощения в области 1730 см-1, обусловленную валентными колебаниями  С=О группы карбоновых кислот.
  4. Слабую полосу поглощения в области 1625 см-1, соответствующую колебаниям групп с двойными связями—(СН=СН2 и С=СН2). 
  5. Полосу поглощения средней интенсивности в области 1460 см-1, которая соответствует деформационным колебаниям СН2-группы
  6. Слабую полосу поглощения в области 1170 см-1, которую дает С—ОН группа и ароматические монозамещенные соединения
  7. Полосу поглощения средней интенсивности в области 720 см-1, которая обусловлена валентными колебаниями парафиновой цепи — (СН2)n, где n >4.

Четко видна на рис. 28 идентичность полос поглощения на инфракрасных спектрах полиэтиленового воска и синтетической части импортных восков.

Резина для изготовления пресс-форм. Анализ резины, используемой для изготовления пресс-форм, производился во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтетического каучука им.  академика С. В. Лебедева.

Методики определения отдельных составляющих элементов в резине приведены ниже.

  1. Определение углерода и водорода (С и Н) основано на термическом разложении веществ и окислении продуктов распада избытком кислорода до образования воды и углекислого газа, по количеству которых рассчитывают содержание водорода и углерода.
  2. Метод определения азота (N) основан на выделении его в виде аммиака. Полимер разлагается концентрированной серной кислотой. При этом получается сульфат аммония, который разлагается концентрированным раствором щелочи с образованием аммиака. Заканчивается определение ацидиметрическим титрованием.
  3. Определение хлора (Cl) основано на сожжении анализируемого продукта в колбе, заполненной кислородом, в присутствии платинового катализатора и на последующем титровании хлора раствором азотнокислой ртути в присутствии индикатора дифенилкарбазона.
  4. Определение серы (S) основано на сожжении анализируемого продукта в колбе, заполненной кислородом, в присутствии платинового катализатора и на последующем определении образовавшейся серной кислоты титрованием раствором азотнокислого бария в присутствии индикатора карбоксиариназа.
  5. Определение кремния (Si) основано па минерализации анализируемого продукта сплавлением его с едким кали в никелевых бомбах при температуре 850оС и на последующем спектрофотометрическом определении кремния в растворе сплава в виде кремнемолибденовой сини.

В табл. 11 представлены результаты проведенных определений.

 

Талица 11. Химический состав резины

 

Цвет образца

Массовая доля составляющих элементов в резине, %

С

Н

N

Cl

S

Si

Желтый

59,7

8,2

1,1-1,4

Отсутствуют

 

На основании полученных анализов можно сделать вывод, что резина, в основном, состоит из полимера, представляющего собой полиизопрен (около 70%).

Для выяснения природы изопренового полимера была получена пирограмма, которая подтвердила его изопреновое происхождение и явилась наиболее близкой к пирограмме натурального каучука.

 

Л.А. Гутов     Литье по выплавляемым моделям сплавов золота и серебра


Информация представлена на сайте исключительно для ознакомления.
Организаторы сайта не несут ответственности за последствия использования данных, указанных на сайте. Авторские права на статьи принадлежат их авторам. Мнения авторов статей необязательно совпадают с мнением и точкой зрения организаторов сайта.