Текст книги "Материалы для ювелирных изделий"

Приложения

П.1. Материалы для пресс-форм

Гипс. Гипс достаточно часто используется для изготовления пресс-форм, так как при этом возможно изготовление эталона практически из любого материала, например из пластилина, воскообразных материалов, дерева и пр. Недостатком гипсовых пресс-форм является низкая прочность и недолговечность. Количество съемов не превышает нескольких десятков. Однако гипсовые пресс-формы в художественном литье обладают неоспоримым преимуществом в сравнении с другими материалами. Во-первых, пресс-формы, изготовленные из гипса, выполняются из множества больших и малых кусков, которые удерживаются на моделях с помощью толстого слоя гипса – раковины, дающей возможность точной сборки кусков при вынутой модели. Во-вторых, гипсовые куски можно подгонять друг к другу срезанием выступающих наружных частей при изготовлении и установке раковины. В-третьих, гипсовые формы обходятся относительно недорого.

Эпоксидные смолы. Для индивидуального производства удобно и экологически целесообразно изготовлять пресс-формы и из холоднотвердеющих эпоксидных смол методом свободной заливки на эталон. Пресс-форма, полученная таким способом, имеет высокую механическую прочность, не подвержена короблению, разбуханию, коррозии и обеспечивает хорошее качество моделей.

Эпоксидно-диановые неотвержденные смолы, или эпоксидные смолы, являются растворимыми реакционноспособными продуктами на основе этилхлоргидрина и дифенилолпропана. Они могут переводиться в твердое неплавкое состояние под действием отверждающих агентов различного типа (полиамины, полиамиды, фенолформальдегидные смолы и др.) при нормальной температуре. Чаще всего применяют полиэтиленполиамид по СТУ 49-2529-62.

Для улучшения свойств отвержденной смолы применяют пластификатор дибутил-фталат (ГОСТ 3863-79). Эпоксидные смолы, применяемые для пресс-форм, малотеплопроводны, что удлиняет время изготовления моделей. Для ускорения процесса отверждения и повышения теплопроводности в жидкую смолу вводят инертные наполнители-порошки: железный, алюминиевый и медный.

Формопласт. Применение эластичных материалов – формопластов, виксинта, резины и других синтетических каучуков – значительно упрощает изготовление пресс-форм. Большая упругость эластичных материалов и их способность сохранять первоначальную форму позволяют при извлечении модели как угодно деформировать пресс-форму, удаляя модели с поднутрениями и обратными углами и конусами. При отсутствии готового термопласта его можно изготовить самим. Для этого используются следующие материалы (по массе): полихлорвиниловая смола – 20 %, дибутилфталат – 76 %, стеарат кальция – 2 %, касторовое масло – 2 %. Материалы нагревают в эмалированной посуде на масляной бане под вытяжкой до 100 °C при энергичном перемешивании деревянной или алюминиевой мешалкой. При получении однородной массы температуру доводят до 120–130 °C и поддерживают при этой температуре до полного расплавления массы и удаления пузырьков воздуха. Жидкий формопласт разливают в емкости, в которых он затвердевает.

Виксинт – смола холодного отверждения. К этим смолам относят силиконовые герметики У-1-18, У-4-21, У-2-28 и др. Существуют и герметики специального назначения.

Например, У-ЗОМ; УТ-32; У Т-3 4 и пр., но из них наиболее распространены виксинты. Виксинтовые формы в металлическом и гипсовом кожухах могут широко использоваться как для запрессовки воска в пастообразном состоянии, так и для заливки жидкого модельного состава. Для получения эластичных форм применяют различные резиновые герметики. Лучшие показатели достигнуты при использовании силоксановых герметиков типа «Виксинт У-1-18», основные свойства которого приведены ниже:

• жизнеспособность – 0,5–6 ч;

• условная прочность при разрыве – 2,5 МПа;

• относительное удлинение при разрыве – не менее 170 %;

• твердость по Шору – 50–60;

• соотношение виксинт – катализатор – 100: 0,4;

• вид материала – паста белого цвета;

• жизнеспособность – не более 72 ч.

Виксинтовая пресс-форма обеспечивает высокую точность отпечатка, и ее не нужно смазывать разделительным составом.

Модели можно получать как свободной заливкой модельного состава, так и под небольшим давлением.

Пресс-форма может быть получена по эталону из различных материалов: металла, дерева, пластилина, глины, воскоподобных материалов и др.

Ласил. Ласил-Т – это высокопрочная силиконовая резина для изготовления пресс-форм и литейных форм для легкоплавких сплавов с температурой плавления ниже 350 °C, которая подходит для детального воспроизведения поверхностей и объектов при разработке прототипов, а также в художественных и реставрационных работах.

Силиконовая резина Ласил-Т представляет собой двухкомпонентный материал, состоящий из основы и катализатора (реагента), при смешивании которых в массе происходит процесс вулканизации при комнатной температуре. Ласил не имеет запаха и усадки, он прозрачен и выдерживает температуру до 350 °C. В формы, изготовленные из ласила, можно непосредственно заливать сплавы на основе цинка, олова, свинца, а также сплавы Вуда и Розе. В формы из отвержденного силикона можно отливать изделия из целого ряда неметаллических материалов: воск, гипс, полиуретан, бетон, полиэфир и другие термореактивные смолы.

Ласиловые формы обладают смазывающей способностью и при работе не требуют использование тальковой пудры. Кроме того, прозрачность формы облегчает работу форматора и процесс создания восковых моделей. Приводим техническую характеристику ласилα-Т.

Основа в несмешанном виде

Смесь 100 частей основы и 10 частей отверждающего реагента по весу

Резина. Для пресс-форм используют сырую резину на основе искусственного каучука. Используют СКН-40М, СКИ-3, СКН-26, СКЕИгОМ. В качестве вулканизирующих агентов используют ПДК (пероксид дикумила), Ф-40 (пероксимон), ХДО (хинондиоксим) и ХДО + Мп0₂. Вулканизацию проводят при 150 °C в течение 20–45 мин. После вулканизации получается эластичная пресс-форма со следующими физико-механическими свойствами.

Резина СКН-40М с вулканизирующим агентом ПДК при 150 °C в течение 35 мин дает σ_в = 11 МПа, δ_ост= 4 %, δ = 400 %, твердость по ТМ-2 = 55.

Резина СКИ-3 с ПДК при 150 °C в течение 35 мин дает σ_в= 14 МПа, δ_ост = 6 %, δ = 780 %, твердость по ТМ-2 = 36.

Резина СКН-26 с Ф-40 при 150 °C в течение 35 мин дает σ_в= 14,8 МПа, δ_ост= 6 %, δ = 810 %, твердость по ТМ-2 = 38.

Резина СКН-40М с ХДО при 150 °C в течение 45 мин дает σ_в=12 МПа, δ_ост= 24 %, δ = 850 %, твердость по ТМ-2 = 34.

Резина СКН-40М с ХДО + МnО2 при 150 °C в течение 20 мин дает σ_в= 14 МПа, δ_ост= 16 %, δ = 740 %, твердость по ТМ-2 = 42.

Металлические материалы. Для изготовления пресс-форм отливок серийного производства с несложным профилем применяются легкоплавкие сплавы, чаще всего оловянно-свинцовые, и реже легкие, такие как сплавы на алюминиевой основе (табл. П.1).

Таблица П. 1

Сплавы для литых пресс-форм

П.2. Материалы для моделей

В практике ювелирного литья применяются только воскоподобные модельные материалы с температурой плавления ниже 100 °C. Это позволяет удалять их горячей водой, паром или в термическом воздушном шкафу.

Такие воскоподобные составы используются для изготовления моделей как в расплавленном, так и в пластифицированном и пастообразном состояниях.

Главными компонентами легкоплавких смесей являются парафин, натуральный и синтетический стеарин, буроугольный или горный (монтановый), а также торфяной воски (битумы), сложные эфиры высших кислот, синтетические, полиэтиленовые, реже натуральные воски.

В качестве добавок, улучшающих реалогические свойства составов, повышающих их прочность и теплопроводность, снижающих хрупкость, используются кубовой остаток термического крекинга парафина, касторовое масло, этилцеллюлоза, канифоль, полиэтилен и др.

Требования, предъявляемые к модельным составам

• Состав должен точно воспроизводить полость пресс-формы и не прилипать к ней.

• Модели после затвердевания должны иметь достаточную прочность, чтобы не деформироваться на всех технологических операциях.

• Состав должен быть несложным в приготовлении и содержать недорогие компоненты.

• Состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном состоянии для изготовления и выплавления его из формы.

• Плотность состава должна быть менее 1 кг/см³.

• Модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией.

• Зольность состава должна быть минимальной.

• Модельный состав должен быть пригоден для многократного использования.

• Состав должен быть безвреден для работающих. Свойства отечественных модельных составов приведены в таблице 2.1.

В ювелирной промышленности ряда производств применяют специальные импортные и отечественные модельные составы. Последние представлены в таблице 2.2.

Модели обычно изготовляются методом свободной заливки жидкого модельного состава, методом запрессовки жидкого модельного состава и методом запрессовки пластифицированного состава или пасты (смесь модельного состава с 10–15 % воздуха).

Растворимые модели

В художественном литье растворимые модели применяются достаточно редко. Их применяют главным образом для изготовления стержней, выполняющих различные полости в моделях из обычных парафино-стеариновых составов.

Таблица П.2.1

Выплавляемые модельные составы

Условные обозначения: П – парафин; Б – буроугольный воск; Т – торфяной воск; Тэ – триэтиламин; Псм – пластичный смазочный материал ПВК (ГОСТ!9537-83); Ц – церезин; Пэв – полиэтиленовый воск (низкомолекулярный полиэтилен); Цс – синтетический церезин; Ко – Кубовый остаток крекинга парафина; С – стеарин.

Таблица П.2.2

Специальные модельные составы

Такие стержни устанавливают в пресс-форму и затем запрессовывают или заливают модельный состав. Материалом такого стержня служит карбамид. Удаление карбамидного стержня из модели производят растворением в воде. Полученная после этого полость модели точно отображает внешнее очертание растворившегося стержня с чистой и гладкой поверхностью и большой точностью общей конфигурации. Этот способ применяют для изготовления моделей с полостями, которые нельзя выполнить другими стержнями из-за различных поднутрений. Растворенный в воде карбамид может быть повторно использован. Возвращение растворенного материала производится выпариванием воды. Хранение карбамида должно осуществляться в сухом помещении из-за его гигроскопичности.

Растворимый воск

В настоящее время появились водорастворимые литьевые воски ISM Hydrowax, которые поставляются в гранулах. Работа с ними заключается в следующем. Воск расплавляют при 100 – 120 °C и выдерживают в расплавленном состоянии не менее 24 часов. Перед началом работы его вакуумируют и выдерживают под вакуумом не менее 8 часов. Затем воск охлаждают до 72–76 °C и шприцем или инжектором производят заполнение холодной эластичной пресс-формы, в которой его выдерживают не менее 3-х минут. Растворение проводят в воде при комнатной температуре в течение 5 минут.

С помощью растворимого воска можно значительно улучшить приведенный технологический процесс и получить более точную восковку, отливая ее целиком.

П.З. Материалы для изготовления оболочки восковых моделей (литейных форм)

В процессе литья по выплавляемым моделям большую роль играют литейные формы. Они должны быть, с одной стороны, огнеупорны (во избежание пригара), прочны, чтобы выдерживать давление заливаемого металла, и не должны выделять газов, а с другой стороны, форма должна иметь гладкую рабочую поверхность и небольшие изменения в рабочей конфигурации при нагреве. Последний фактор очень важен в художественном литье.

Для удовлетворения таких высоких требований применяются высокоогнеупорные мелкораздробленные формовочные материалы и специальные огнеупорные связующие материалы.

Для облицовочного огнеупорного покрытия применяются твердые огнеупорные материалы и жидкие связующие материалы: этилсиликат и жидкое стекло.

Огнеупорные наполнители

В качестве наполнителя были опробованы различные типы огнеупорных материалов: кремнеземистые, алюмосиликат-ные, глиноземистые, магнезиальносиликатные, цирконовые и др. Наилучшими из них были кремнеземистые огнеупоры, аморфный и кристаллический кварц, кварцевый песок, кристобалит, динас и асбест. За рубежом применяют только кристобалит, а в России – динас и асбест. Часто кристобалит получают из кремнеземистого сырья.

Асбест. Асбест и асбест-хризотил состоят из волокон различной длины и представляют гидросиликат магния βMgO 2SiC0₂ • 2Н₂0). В зависимости от его насыпной плотности асбест делится на группы (марки) от 0-й до 7-й. Чем выше плотность, тем выше группа. При 360 °C асбест выделяет адсорбционную воду, а при 700 °C обезвоживается и легко превращается в порошок. Он при добавлении в гипсовую массу создает каркас, который и воспринимает значительную часть нагрузки при изготовлении формы, ее сушке и заливке металлом.

При создании литейных форм применяют 6-ю и 7-ю группы. Остальные группы не рекомендуются, так как при этом гипсовая смесь теряет текучесть и затрудняется заполнение узких полостей модели. 6-я и 7-я группы приведены в таблице П.3.1.

Таблица П.3.1

Фракционный состав 6-й и 7-й групп асбеста

Кремнеземистые огнеупоры подразделяются на 5 марок по химико-минералогическому составу и на 8 классов в зависимости от зернового состава. Огнеупоры 1—4-го классов в отсутствие более мелких следует размалывать в шаровых мельницах. Обычно используют огнеупоры 5—8-го классов, причем чем тоньше рисунок изделия, тем более мелкий класс. Для литья по выплавляемым моделям применяют молотый пылевидный кварц, изготовленный из кварцевого песка.

Кристобалит. Это наиболее качественный наполнитель для гипсовых форм, что обусловливается его динамометрической характеристикой. Большое термическое расширение кристобалита при 230–280 °C составляет – 1,6 %, а при 800 °C – около 1,8 %, что позволяет компенсировать усадку гипсовых форм при их прокаливании, а также устранять влияние усадки металлов и легкоплавких моделей на размеры получаемых изделий. Пологость кривой линейного расширения формовочных материалов с кристобалитовым наполнителем при 260 °C обусловливается стабильностью размеров форм в большом интервале температур, что положительно влияет на точность отливок и сохранение целостности форм. Отсутствие кристобалита привело к использованию искусственных тридимита-кристобалитовых динасов и к получению искусственного кристобалита из песка.

При нагреве до 1600–1650 °C в течение 1,5–2 ч кварцевый кристобалит превращается в кристобалит. Введение в песок 0,5–1 % щелочного минерализатора Na₂CO₃ позволяет снизить температуру обжига кварцевого песка до 1350–1400 °C с выдержкой от 10 до 35 мин. Полученный после такой обработки материал содержит 91–97 % кристобалита.

Этилсиликат и его подготовка

Технический этилсиликат (C₂H₅0)₄Si является прозрачной жидкостью желтовато-зеленоватого цвета с удельной массой не выше 1,0. Он содержит (по массе) 30–40 % кремнезема (SiO₂) и до 15 % соляной кислоты (НС1). Применение этил силиката как связующего объясняется тем, что, взаимодействуя с водой, он способен выделять кремнезем по реакции

(C₂H₅0)₄SI + 2Н₂0 – SiO₂ + 4С₂Н₅ОН.

Сначала образуется золь, коллоидный раствор, т. е. тончайшая взвесь твердого материала в жидкости, для смешивания с пылевидным кварцем. В дальнейшем, при сушке, золь переходит в гель (студенистый нерастворимый осадок), обволакивающий и склеивающий отдельные песчинки, затем – в аморфный кремнезем, а после прокаливания – в кристаллический кремнезем.

Таким образом, после прокаливания огнеупорное покрытие состоит только из кристаллического кремнезема (кремнезема кварцевого песка и кремнезема этилсиликата), что обеспечивает высокую огнеупорность покрытия.

Спирт, образующийся при гидролизе, удаляется из огнеупорного покрытия испарением при сушке.

Однако вода с этилсиликатом почти не смешивается, поэтому реакция гидролиза идет очень медленно. Для введения воды в этилсиликат и ускорения реакции применяют растворители, растворяющие в себе и воду, и этилсиликат. Этот раствор называют гидролизованным раствором этилсиликата. Растворителями могут быть этиловый спирт (С₂Н₅ОН), эфироальдегидная фракция (83–85 % С₂Н₅ОН, 1,5 % метилового спирта, менее 3 % эфира, менее 2 % сивушных масел и до 1 % кислот), ацетон (СН₃СОСН₃) и растворитель № 16 (более 90 % С₂Н₅ОН и по 2 % воды и толуола).

С целью улучшения процесса гидролиза, увеличения прочности облицовочного огнеупорного покрытия и ускорения его сушки применяют в небольших количествах соляную кислоту с плотностью 1,18—1,19 г/см³. (Возможны случаи применения борной кислоты и глицерина.) Соляная кислота ускоряет гидролиз этилсиликата, способствует выделению геля оксида кремния и схватыванию его при нанесении и сушке огнеупорного покрытия. Количество соляной кислоты будет рассмотрено ниже.

Гидролиз может быть одноступенчатый и двухступенчатый. При одноступенчатом гидролизе в спирт вводят необходимое по расчету количество воды и остальные добавки, после чего смешивают с определенным количеством этилсиликата. Одноступенчатый гидролиз является более простым и распространенным, но в нем процесс гидролиза протекает более медленно, а в связи с этим уменьшается время его хранения.

При двухступенчатом гидролизе количество растворителя и воды вводят в два приема. Его преимущества заключаются в большей устойчивости раствора, который можно хранить при температуре не выше 23 °C до 10 месяцев.

Приводим пример двухступенчатого гидролиза. Количество дистиллированной воды и растворителя (С₂Н₅ОН) или ЭАФ (эфироальдегидной фракции) определяют в зависимости от модельного состава и количества кремнезема в этилсиликате по таблице П.3.2.

Первая ступень гидролиза состоит из смешивания меньшей части растворителя с необходимым количеством подкисленной воды и этилсиликата. При смешивании подкисленная вода и этилсиликат вводятся постепенно при непрерывном перемешивании при нагреве не более чем до 38–50 °C. В случае подъема температуры выше 50 °C введение подкисленной воды и этилсиликата прекращают до необходимого понижения температуры. После введения всего количества ингредиентов раствор продолжают перемешивать еще около 30 мин. Такой раствор может храниться длительное время.

Таблица П.3.2

Количество воды и растворителя в зависимости от модельного состава.

Вторая ступень гидролиза производится за несколько дней до употребления раствора. При этом после первой ступени гидролиза в частично гидролизованный раствор вводят остальную часть растворителя, перемешивают и выдерживают не менее суток. Срок хранения после полного гидролиза составляет не более 15 суток.

На ряде производств вместо дорогостоящего этилсиликата применяют жидкое стекло.

Жидкое стекло

В качестве жидкого стекла наиболее употребительным является натриевое стекло содовой варки состава

Na₂O п • SiO₂ + mH₂O.

Углекислый газ, находящийся в воздухе, вызывает разложение жидкого стекла по формуле

Na₉O п • SiO₂ + С₂O ← Na₂CO₃ + nSiO₂.

Поэтому жидкое стекло желательно хранить в закрытой таре. При разложении выпадает кремнезем в виде студенистого осадка. Такое стекло к работе непригодно.

Плотность жидкого стекла определяется ареометром. Пленку, которая может образоваться на поверхности жидкого стекла, перед измерением плотности удаляют.

Характеристикой жидкого стекла является модуль. Модуль – это отношение числа граммолекул кремнезема к числу граммолекул оксида натрия. Модуль натриевого жидкого стекла определяется по формуле

где SiO₂ – содержание кремнезема, % (по массе); Na₂O – содержание оксида натрия, % (по массе); 1,032 – отношение молекулярных весов оксида натрия и кремнезема.

В зависимости от способа приготовления жидкого стекла его состав, модуль и плотность незначительно отличаются (табл. 3.5.2).

Таблица П.3.3

Типы жидкого стекла

Жидкое стекло перед употреблением подвергают подготовке тремя способами и в зависимости от его дальнейшего применения:

1) разбавляют водой до необходимой удельной массы;

2) повышают модуль хлористым аммонием;

3) отделяют оксид натрия от кремнезема.

В художественном литье применяют первый способ подготовки жидкого стекла.

Требуемое для разбавления жидкого стекла количество воды определяется по формуле

где V_b – объем воды, л; V_c – объем исходного разбавляемого жидкого стекла, л; γ_с – удельная масса исходного жидкого стекла, т/м3; γ_рс– необходимая удельная масса разбавленного жидкого стекла, т/м3.

Обычно разбавление жидкого стекла производят до удельной массы 1,32.

Количество воды для разбавления часто определяют из графика (рис. П.3.1). Например, жидкое стекло удельной массой 1,1 следует разбавить до 1,32.

^{Рис П.3.1.}

^{График для определения количества воды при разбавлении жидкого стекла:}

^{1 – на 1 л;}

^{2 – на 1 кг.}

На вертикальной оси графика находим значение требуемой удельной массы 1,32. Проводим горизонтальную линию от этой величины до пересечения с линией 2. Из точки пересечения опускаем вертикальную линию вниз и по горизонтальной шкале находим, что на 1 кг жидкого стекла необходимо ввести около 0,4 л воды.