1. Технологические основы производства ювелирных изделий методами литья

1.1. Литейные материалы и формы Лекция 2

1. Теоретические основы производства резиновых пресс-форм.

2. Резиновые смеси для их производства.

3. Свойства резиновой пресс-формы: прочность, эластичность, стойкость к термоокислительному старению и адгезия к модельному составу.

4. Температурно-временные параметры вулканизации.

Получение качественных резиновых пресс-форм по металлической мастер-модели – одна из важнейших стадий технологического процесса изготовления отливок из сплавов золота и серебра. На практике это осуществляется путем вулканизации сырой резины в объеме с металлическим эталоном внутри массы резины. Свойства резиновой пресс-формы – прочность, эластичность, стойкость к термоокислительному старению, адгезия к модельному составу и другие – определяются составом эластомера и режимом вулканизации.

Формовочные резины могут быть в виде упругих листов или блоков, в пастообразном виде, а так же в жидком. Листовые резины горячей вулканизации на основе натурального каучука являются наиболее распространенными видами резин, применяемых в ювелирном производстве. Типичными представителями данного вида, ставшими фактическим стандартом в ювелирном производстве, являются резины, выпускаемые компанией F.E. Knight Castaldo (США). Технология работы с этими резинами хорошо отлажена и, как правило, не создает проблем. Листовые пастообразные резины горячей вулканизации на силиконовой основе специально разработаны для технологии литья по выплавляемым моделям для производства высококачественного ювелирного литья. Для работы с такими резинами используются традиционные методы и оборудование. Пастообразные резины легко укладываются в форму, никогда не дают пузырей и при плотной укладке заполняют все пустоты, т.к. увеличиваются в объеме при вулканизации. Резина не взаимодействует с материалом модели, что значительно улучшает качество ее поверхности.

Рассмотрим технологический процесс изготовления резиновых пресс-форм для получения отливок с двусторонним рельефом. Для получения восковой модели необходимо изготовить эталон модели – образец (мастер- модель), а по нему – резиновую пресс-форму. Для изготовления эталона модели чаще всего используют сплав золота 585-й пробы; при этом поверхность его электролитически покрывают родием. Это необходимо, так как вулканизация резины происходит при повышенных температурах, а в процессе вулканизации из резины выделяется небольшое количество азотной кислоты. Поверхность эталона должна быть тщательно обработана и отполирована, так как все дефекты эталона будут переноситься на отливки. Кроме того, эталон должен иметь несколько большие размеры, чем готовая модель (на 5 – 6 %) – из-за усадки жидкого металла при затвердевании отливок и необходимости припуска на механическую обработку. К эталону крепится модель литника с заливочной воронкой.

Для изготовления резиновой пресс-формы опока с направляющими штифтами укладывается на гладкую опорную плиту (например, стеклянную) основанием вниз и заполняется пластилином, в который вдавливают до половины эталон модели. Далее устанавливают на первую опоку вторую и заливают ее раствором гипса в воде. После затвердевания гипса опоки переворачивают и удаляют пластилин; эталон при этом остается в гипсовой форме. В гипсе делают несколько углублений, которые позднее станут направляющими выступами резиновой формы. Сырую резину разрезают на кусочки и наполняют ими верхнюю половину формы. Опоки устанавливают на вулканизационный пресс и подвергают вулканизации. После этого гипс разбивают, извлекают и тщательно очищают эталон модели и резиновую полуформу. Последнюю посыпают тальком и укладывают в нее эталон модели. Затем опока располагается так, что готовая резиновая полуформа, находится внизу, а вторая половина эталона модели засыпается кусочками сырой резины. Далее производят вулканизацию резины второй полуформы и получают обе части резиновой пресс-формы. Если используется эталон модели без литника и заливочной воронки, то они в резиновой пресс-форме вырезаются ювелирным ножом.

При изготовлении пресс-форм для простых моделей ювелирных изделий достаточно поместить эталон модели между двумя пластинами сырой резины соответствующей толщины и вулканизировать их под прессом. Эталон модели вдавливается в размягченную резиновую массу. Недостаток этого метода в том, что обе резиновые пластины «свариваются» и чтобы извлечь эталон и отлить затем восковую модель, пресс-форму необходимо разрезать.

Выбор оптимального температурно-временного режима вулканизации, обеспечивающего необходимое качество пресс-формы, должен проводиться на основании сопоставления процессов нагрева и структурирования, проходящих одновременно. Существование оптимального режима неизотермической вулканизации требует согласованного с кинетикой структурирования режима нагрева, а трудности регулирования температурного поля приводят к необходимости, разработки критериев оценки характеристик вулканизации из свойств резиновых смесей. Для оценки времени прогрева из критерия гомохронности тепловых процессов используют параметр , ( – форм-фактор, – характерный размер изделия, – температуропроводность материала), позволяющий для различных геометрических размеров вулканизируемого изделия устанавливать время прогрева центральной, наиболее труднопрогреваемой зоны.

Процесс вулканизации резин сопровождается образованием пространственной структуры поперечных связей, что приводит к существенным изменениям эластических свойств материала. В зависимости от типа эластомера и выбора вулканизующей системы физико-механические свойства вулканизата также изменяются, достигая максимума (по некоторым показателям – минимума) показателей свойств через различные промежутки времени. Для ряда физико-механических свойств (густоты пространственной сетки, содержания связанной серы, релаксационного модуля и т.п.) может быть установлен общий в качественном отношении характер изменения в процессе вулканизации. Кинетика формирования свойств, в процессе вулканизации является следствием сложного комплекса химических реакций и физико-химических процессов, протекающих при поперечном сшивании. Собственно присоединение вулканизующего агента может быть описано методами химической кинетики только для простейших систем. Кривая формирования свойство – время, носящая S-образный характер и являющаяся завершением комплекса химических реакций, может быть описана формально как сочетание индукционного периода, в течение которого не происходит значительного изменения свойств, и периода активного структурирования, подчиняющегося кинетическому уравнению первого порядка,

(1.1.1)

Здесь – максимальное и минимальное значения выбранного для описания вулканизации свойства; – кинетическая константа (скорость) вулканизации;  индукционный период вулканизации.

Характерное время вулканизации по выбранному свойству, при может быть представлено, как (при этом достигается уровень 63 % от максимального уровня вулканизации). Так как и определяются не зависящими друг от друга свойствами резиновой смеси и характеристиками изделия, то, если , вулканизация будет протекать частично в нестационарном температурном поле, в основном же  в изотермических условиях. Естественное различие степени вулканизации по сечению изделия, вызванное нестационарностью температурного поля, будет невелико, и интенсификация режима вулканизации (повышение температуры) не приведет к резкому различию свойств по сечению изделия. В случае формирование свойств, происходит преимущественно в нестационарном температурном поле, а вулканизация поверхности и центральной зоны изделия  в существенно различных температурных условиях, и постоянная по сечению степень вулканизации достигнута быть не может.

Учет неизотермичности прогрева и наличие индукционного периода вулканизации, не изменяя уравнения (1.1.1), приводит к более сложным соотношениям для тепловой толщины резиновой смеси и критерия массивности. Принимая, что в процессе нагрева резиновая смесь находится при определенной температуре бесконечно малое время, можно заключить, что, так как изотермической вулканизации соответствует определенный индукционный период, то за малое время будет пройдена только часть индукционного периода для данной температуры. Учет всей температурной зависимости приводит к интегральному соотношению для определения  индукционного периода неизотермической вулканизации

(1.1.2)

Окончательно для «тепловой» толщины и критерия массивности с учетом температурной зависимости констант скорости и индукционного периода вулканизации, а также форм-фактора , позволяющих установить требуемое соотношение между степенью вулканизации центра и поверхности изделия и учесть его форму, получены выражения:

(1.1.3)

(1.1.4)

Характерная тепловая толщина показывает максимальный размер изделия, которое может быть изготовлено из данной резиновой смеси при условии изотермической вулканизации по сечению изделия. Критерий массивности показывает необходимость снижения теплоподвода для обеспечения равной степени вулканизации по сечению изделия, при заданных характеристиках смеси и изделия. В случае можно перейти к более высоким температурам вулканизации. Случай требует точного расчета температурного поля в вулканизуемом изделии и степени вулканизации. Для определения критерия массивности и тепловой толщины необходимо знание теплофизических характеристик (тепло- и температуропроводности) эластомерных материалов.

Для определения степени вулканизации от температуры разработана номограмма (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1. Температура и степень вулканизации в упрощенной модели формы.

Кривая 1 дает температуру на границе металл  резина при толщине металлической пластины мм и общей толщине формы 30 мм. Кривая 5 показывает степень вулканизации на поверхности раздела, металл  резина. Кривая 2 показывает, как бы нагревался центр резиновой формы толщиной 27 мм (т.е. без металлической пластины, имитирующей мастер-модель). Аналогичные кривые 3, 4 и 6 рассчитаны для резиновой формы общей толщиной 50 мм с металлической пластиной 5 мм.

Следует отметить, что хотя металл по сравнению с резиной прогрева­ется очень быстро, влияние металла на прогрев примыкающего к нему слоя резины весьма значительное. Это обусловлено, в первую очередь, существенной объемной теплоемкостью металла. Сравнивая время выхода температуры на уровень процесса вулканизации, можно убедиться, что увеличение времени прогрева пропорционально квадрату отношения толщин резиновых форм. Это соответствует соотношению времен прогрева монолитов резины. Для установления степени вулканизации подобное соотношение непригодно, так как оно учитывает влияние температурной предыстории прогрева на вулканизацию резины.

Рассматривая зависимость степени вулканизации от температуры и времени, следует отметить, что очень большое влияние на начало вулка­низации оказывает индукционный период вулканизации и его зависимость от температуры. Индукционный период при температурах, меньших 403 К для данной резиновой смеси, настолько велик, что приводит к значительной задержке вулканизации граничного слоя резиновой формы. Для форм толщиной 50 мм ввиду их большой толщины температурная предыстория несколько сокращает индукционный период, но, так как вулканизация начинается при пониженных температурах, ее скорость значительно ниже, чем в случае более тонкой пресс-формы. Сравнивая зависимость выхода степени вулканизации от времени на уровень 90 %, можно заметить, что увеличение времени выхода на этот уровень пропорционально толщине изделия. Тогда для подбора времени вулканизации резиновой формы, учитывая необходимость достижения оптимума вулканизации, в первую очередь резины, на поверхности металл  резина можно использовать следующее выражение:

(1.1.5)

где δ  половина толщины стенки резиновой формы;  температуро­проводность резиновой смеси;  кинетическая константа скорости вулканизации резины при температуре ;  коэффициент, учитывающий геометрию резиновой пресс-формы, в первом приближении для плоской формы , для формы, близкой к шару (также и в случае близости всех трех габаритных размеров формы) .

Выражение (1.1.5) дает несколько заниженное время вулканизации, обеспечивая выход зависимости степени вулканизации на уровень 75 %, однако довулканизация на воздухе даже при охлаждении нагретой поверхности формы дает время для выхода степени вулканизации на уровень 90  95 %, что достаточно для получения оптимальных физико-механических свойств резиновой смеси на рабочей поверхности.