Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 23 УДК 621.74.043.2+621.7.079 РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Канд. техн. наук, доц. МИХАЛЬЦОВ А. М., канд. техн. наук ПИВОВАРЧИК А. А. Белорусский национальный технический университет При литье под давлением сплавов исполь- зуют разделительные покрытия (смазки), нано- симые на поверхность пресс-формы при каж- дом цикле изготовления отливки. Их назначе- ние – облегчить извлечение отливки из пресс- формы, предотвратить образование задиров. При этом смазки не должны оказывать нега- тивного воздействия на качество поверхности отливки, быть экологически безопасными [1]. Используемые ныне покрытия, как правило, представляют собой дисперсные системы. Дис- персной фазой в них являются смазывающие вещества (одно или несколько), в качестве ко- торых все еще применяются тяжелые мине- ральные масла, имеющие высокую температу- ру вспышки, в некоторых случаях – животные и растительные жиры, их производные, а также озокерит, парафин и др. Упомянутые выше смазывающие компоненты разделительных по- крытий морально устарели и не отвечают предъявляемым к ним требованиям как по тер- мической устойчивости, так и по качеству по- лучаемых отливок. Анализ свойств материалов из смежных областей показал что, с точки зрения термиче- ской устойчивости, для литья под давлением сплавов интерес представляют кремнийоргани- ческие соединения, в частности полиметил- силоксановые жидкости ПМС 300, ПМС 400 (ГОСТ 13032–77). В качестве дисперсионной среды используют органические жидкости или воду. Основное назначение дисперсионной среды – транспортировка смазывающих ве- ществ к поверхности пресс-формы, дополни- тельное – регулирование концентрации смазы- вающих веществ в составе наносимой смазки. С экологической точки зрения, вода более приемлема для использования в качестве дис- персионной среды. Но все упомянутые смазы- вающие вещества относятся к гидрофобным материалам. Поэтому современные раздели- тельные покрытия, импортные и отечествен- ные, являются эмульсиями. Таким образом, за- дача разработки качественных разделительных покрытий усложняется необходимостью под- бора поверхностно-активных веществ, создания необходимых температурно-временных усло- вий для получения устойчивых эмульсий сма- зывающих веществ в воде. Концентрация сма- зывающих веществ в эмульсиях, как правило, высокая, поэтому перед употреблением они разбавляются водой. Степень разбавления под- бирается индивидуально для каждой отливки либо для группы идентичных отливок. Методика проведения экспериментов. При- готовление концентрата разделительного покры- тия проводили по следующей методике: дози- рование компонентов производили объемным методом; перед перемешиванием компоненты подогревали до 70 °С; температуру подогрева компонентов контролировали при помощи тер- мометра А1 с ценой деления 1 °С. После подогрева исходных компонентов и ПАВ к ним добавляли разогретую до 70 °С во- ду и производили перемешивание в стеклянной таре с помощью специального двухлопастного смесителя (гомогенизатора), обеспечивающего 6000 мин–1. Время перемешивания компонен- тов, входящих в состав эмульсии, составляло 2 мин. После перемешивания отбирали пробу приготовленной эмульсии в пробирки диамет- ром 12 мм с целью определения ее седимента- ционной устойчивости. Критерием устойчиво- сти полученной эмульсии являлось время до появления признаков расслоения. Разработка состава разделительного по- крытия с высокой седиментационной устой- чивостью. Взятая за основу полиметилсилок- Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 32 сановая жидкость марки ПМС 300 обладает высокой термостойкостью и экологически без- опасна. При этом она имеет существенный недостаток – сравнительно высокую гидрофоб- ность, так как полярная полиметилсилоксано- вая цепь экранирована неполярными метиль- ными группами. Это сильно затрудняет полу- чение эмульсии типа масло в воде (М/В) при использовании традиционных ПАВ. Все ПАВ являются полярными соединения- ми [2]. Их подразделяют на ионогенные и не- ионогенные [3, 4]. Ионогенные, в свою очередь, состоят из анионных и катионных ПАВ. К анионным ПАВ можно отнести арилаты, алкилаты сульфоновой кислоты, соли щелоч- ных металлов, например натриевые соли ал- килсерных кислот. Это моющие средства, при- меняемые в народном хозяйстве. Анионные ПАВ могут быть рекомендованы для получения эмульсий. К катионным ПАВ относят гидро- хлориды алкиламинов или галоиды алкилам- мония. Катионные ПАВ для получения эмуль- сий не использовались, так как они эффектив- ны при наличии кислой среды. Но кислая среда в производственных условиях приводит к кор- розии технологической оснастки. К неионогенным ПАВ относят алкилглико- зиды, эфиры сахарозы и жирных кислот, окси- этилированные моноалкилфенолы и др. [3]. Их использование обусловлено биполярностью, которая снижает поверхностное натяжение на границе раздела смазывающий компонент – вода в момент приготовления эмульсии, а так- же позволяет связать в устойчивую мицел- лу основной смазывающий компонент и моле- кулы разбавителя. При разработке состава раз- делительного покрытия опробовано свыше десяти всевозможных ПАВ, используемых в различных отраслях народного хозяйства. Из их числа выбран неионогенный ПАВ – окси- этилированный моноалкилфенол на основе триммеров изононила (неонол) марки АФ 9-12 (ТУ 2483-077-05766801–98). Седиментационная устойчивость эмульсии на основе полиметил- силоксановой жидкости ПМС 300 при исполь- зовании неонола АФ 9-12 в количестве 2,5 % не превышала 30 ч. Увеличение в составе разделительного по- крытия количества ПАВ до 5 % приводило к незначительному повышению седиментацион- ной устойчивости эмульсии – в среднем на 4 ч. С целью снижения гидрофобности ПМС 300 и облегчения в конечном итоге получения устой- чивой эмульсии использовали вещества-разрых- лители. С точки зрения сохранения или повыше- ния смазывающей способности разделительного покрытия, в качестве таких веществ целесообраз- но опробовать материалы типа масел, жиров. Они хорошо смешиваются с ПМС, особенно при нагревании, образуя однородную массу. Одной из отличительных характеристик ПМС 300 является незначительное изменение вязкости с повышением температуры. Измеряя вязкость ПМС с добавками упомянутых мате- риалов, можно оценить степень разрыхления ПМС. Это обусловлено тем, что изменение вяз- кости, связанное с сопротивлением жидкости сдвигу, отражает надмолекулярную структуру изучаемой системы и можно сделать законо- мерное предположение о проникновении моле- кул добавок между молекулами ПМС, след- ствием чего может быть разрыхление системы. В качестве разрыхлителей ПМС 300 исполь- зовали олеиновую кислоту, растительное масло и соапсток. Соапсток – побочный продукт переработ- ки растительных масел жиров; реализуется заинтересованным организациям по ТУ РБ 190239501.034–2002. Он содержит в своем со- ставе комплекс веществ: преимущественно это непредельные и предельные жирные кислоты, а также фосфолипиды. Фосфолипиды содержат жирные кислоты и их производные, сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жир- ных кислот, а также остаток фосфорной кисло- ты и соединенную с ней группу атомов различ- ной химической природы. Главная особенность фосфолипидов состоит в том, что они являются биполярными веществами. Это позволяет при их нахождении в воде образовывать бислой – двойной слой фосфолипидных молекул, в кото- ром гидрофильные его части соприкасаются с водой, а гидрофобные – упрятаны внутрь ос- новы разделительного покрытия и тем самым защищены от контакта с водой, что является благоприятным условием для получения устой- чивой эмульсии. Вязкость систем, составленных из полиме- тилсилоксановой жидкости и олеиновой кисло- ты, полиметилсилоксановой жидкости и расти- тельного масла, полиметилсилоксановой жид- Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 33 кости и соапстока, исследовалась при темпе- ратурах 20, 50 и 80 °С по стандартной методике и определялась временем истечения жидкости определенного объема из вискозиметра марки ВЗ-4 (ГОСТ 9070–75). Данные по изменению вязкости различных систем в зависимости от содержания исходных компонентов приведены на рис. 1–3. 0 10 20 25 40 50 60 75 80 90 100 % ПМС 100 90 80 75 60 50 40 25 20 10 0 % Олеиновая кислота Рис. 1. Изменение вязкости системы «ПМС – олеиновая кис- лота» при различных температурах подогрева: 1 – 20 °С; 2 – 50; 3 – 80 °С 0 10 20 25 40 50 60 75 80 90 100 % ПМС 100 90 80 75 60 50 40 25 20 10 0 % Растительное масло Рис. 2. Изменение вязкости системы «ПМС – растительное масло» при различных температурах подогрева: 1 – 20 °С; 2 – 50; 3 – 80 °С 0 10 20 25 40 50 60 75 80 90 100 % ПМС 100 90 80 75 60 50 40 25 20 10 0 % Соапсток Рис. 3. Изменение вязкости системы «ПМС – соапсток» при различных температурах подогрева 1 – 20 °С; 2 – 50; 3 – 80 °С Как и предполагалось, олеиновая кислота, растительное масло и соапсток существенно снижают вязкость полиметилсилоксановой жид- кости, образуя с ней после перемешивания од- нородную массу. Следует отметить, что для сохранения высокой термостойкости раздели- тельное покрытие должно содержать в своем составе возможно большее количество полиме- тилсилоксановой жидкости. Увеличение доли органических веществ в составе образованного комплекса будет способствовать снижению термостойкости разделительного покрытия. Учитывая это, а также приведенные на рис. 1–3 результаты, следует отметить, что оп- тимальное содержание органических веществ- разбавителей в составе смазывающего компо- нента должно находиться на уровне от 20 до 25 %. При этом во всех случаях наблюдается существенное снижение вязкости образовавше- гося комплекса. Для приготовления эмульсии в качестве смазывающего компонента были использованы системы, состоящие из 75 % ПМС и 25 % рас- тительного масла, а также 75 % ПМС и 25 % олеиновой кислоты. Содержание комплекса в составе концентрата разделительного покры- тия составляло 25−28 %, неионогенного ПАВ − 2,5 %, вода – остальное. При оптимальной тем- пературе перемешивания были получены одно- родные эмульсии белого цвета. Седимента- ционная устойчивость эмульсий составила от 70 до 250 ч. После этого наблюдались признаки небольшого разделения эмульсии на более тем- ные и более светлые участки. При легком пе- ремешивании однородность эмульсий восста- навливалась. Седиментационная устойчивость эмульсии, приготовленной на основе системы «ПМС – соапсток» (75 % – ПМС, 25 % – соапсток), при том же содержании ПАВ и температуре пере- мешивания составила более 500 ч. Отработка температурно-временных па- раметров получения устойчивых эмульсий. При выполнении экспериментов было установ- лено, что помимо ПАВ существенное влияние на величину седиментационной устойчивости эмульсии оказывают температура подогрева компонентов, выдержка при этой температуре, скорость и время перемешивания. Экспериментальные данные по влиянию температуры подогрева и выдержки при этой 1 2 3 1 2 3 70 60 50 40 30 20 10 0 В яз ко ст ь, с 70 60 50 40 30 20 10 0 В яз ко ст ь, с 70 60 50 40 30 20 10 0 В яз ко ст ь, с 1 2 3 Металлургия. Металлообработка. Машиностроение Вестник БНТУ, № 5, 2011 34 температуре компонентов на седиментацион- ную устойчивость эмульсии представлены на рис. 4. Как следует из приведенных данных, получение эмульсии с высокой седиментаци- онной устойчивостью отмечено лишь после выдержки подогреваемых компонентов в тече- ние 2–3 мин перед перемешиванием начиная с 70 °С. При этом температура добавляемой воды не оказывает существенного влияния на седиментационную устойчивость эмульсии. Не- обходимо также отметить, что увеличение вре- мени выдержки компонентов перед перемеши- ванием до 5 мин не приводило к повышению седиментационной устойчивости эмульсии. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Температура подогрева компонентов, °С Рис. 4. Влияние температуры подогрева исходных компо- нентов на седиментационную устойчивость эмульсии: – без выдержки при данной температуре; – с вы- держкой при данной температуре Помимо температуры подогрева компонен- тов седиментационная устойчивость эмульсии зависит от времени и скорости перемешивания. Экспериментальные данные по зависимости седиментационной устойчивости от скорости и времени перемешивания представлены на рис. 5 и 6. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 5,0 10 Время перемешивания компонентов, мин–1 Рис. 5. Влияние времени перемешивания компонентов на седиментационную устойчивость эмульсии при скорости перемешивания 3000 мин–1 (температура подогрева ис- ходных компонентов составляет 70 °С) Можно видеть (рис. 5, 6), что увеличение времени перемешивания сверх 5 мин и скорости перемешивания компонентов более 6000 мин–1 не приводит к существенному росту седимен- тационной устойчивости эмульсии. 1500 3000 6000 9000 12000 Время перемешивания компонентов, мин–1 Рис. 6. Влияние скорости перемешивания компонентов на седиментационную устойчивость эмульсии (время пере- мешивания – 2 мин, температура подогрева исходных компонентов составляет 70 °С) С учетом приведенных выше результатов предложен состав разделительного покрытия для пресс-форм литья алюминиевых сплавов под давлением, вес. %: полиметилсилоксановая жидкость (ПМС 300) – 20,0–22,0; соапсток – 5,0– 6,0; неонол (ПАВ) – 2,5–3,0; вода – остальное. Седиментационная устойчивость эмульсии, приготовленной из указанных компонентов и при оптимальных температурно-временных па- раметрах, составила 2500 ч. Перед употребле- нием приготовленный концентрат разделитель- ного покрытия разбавляется водой в соотноше- нии 1:10−1:50 в зависимости от сложности из- готавливаемых отливок. В Ы В О Д Ы 1. Установлено, что добавка соапстока к ПМС 300 в количестве 5,0−6,0 вес. % позволяет существенно повысить седиментационную устойчивость концентрата разделительного по- крытия (эмульсии) с 30 до 500 ч. 2. Показано, что предварительная выдержка компонентов в течение 3 мин при температуре перемешивания начиная с 70 °С позволяет по- высить седиментационную устойчивость кон- центрата разделительного покрытия до 2500 ч. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Каширцев, Л. П. Литейные машины. Литье в ме- таллические формы: учеб. пособие / Л. П. Каширцев. – М.: Машиностроение, 2005. – С. 31–38. 2. Артеменко, А. И. Справочное руководство по хи- мии / А. И. Артеменко, И. В. Тикунова, В. А. Малеван- ный. – М., 2003. – С. 284. 3000 2000 1000 0 С ед им ен та ци он на я ус то йч ив ос ть э м ул ьс ии , ч 3000 2000 1000 0 С ед им ен та ци он на я ус то йч ив ос ть э м ул ьс ии , ч 3000 2000 1000 0 С ед им ен та ци он на я ус то йч ив ос ть эм ул ьс ии , ч