Переход с прессования на литье под давлением

При переходе с прессования на литье часто возникает вопрос: как это отразится на физико-механических свойствах материала в изделии и точности его размеров? Результаты механических испытаний разных образцов из термоактивных пластмасс марок 03-010-02 и Э2-330-02, изготовленных прессованием и литьем под давлением, приведены в таблице:

Таблица 1. Влияние способа формования на физико-механические свойства образцов из фенопластов марок 03-010-02 и Э2-330-02

Способ формования Разрушающее напряжение при изгибе, МПа Ударная вязкость, кДж/м2
03-010-02 Э2-330-02 03-010-02 Э2-330-02
Прессование 92,2 72,1 6,03 5,44
Литьевое под давлением        
  веерный литник 87 76,8 6,99 5,42
  поперечный литник 68,3 67 6,33 5,32
  литник типа "на стык" 66,9 54,7 4,51 3,45
  долевой литник 63,1 59 4,25 4,47

Существенная разница в прочностных свойствах образцов, изготовленных литьем под давлением, свидетельствует о важности учета характера течения материала и конструкции литниковой системы. Образцы из фенопластов, полученные литьем под давлением, имеют лучшие показатели по прочностным свойствам, чем прессованные. При этом прочностные свойства у образцов, полученных через веерный литник, выше, чем у образцов с долевым литником, что связано с ориентацией наполнителя в направлении, перпендикулярном течению расплава.

Точность размеров изделия зависит от колебания усадки материала в процессе формования и хранения. Усадка реактопластов зависит от рецептуры композиции и способа формования (табл. 4). Исследования показывают, что усадка при литьевом формовании реактопластов в 1,5-3 раза больше, чем при прессовании.

Таблица 2. Усадка реактопластов при формовании

Связующее Наполнитель Усадка при прессовании, % Усадка при литье под давлением, % Последующая усадка после прессования, %
Фенолоформальдегидный олигомер Минеральная мука 0,2-0,5 --- до 0,1
Коротковолокнистый асбест 0,2-0,3 0,8-1,2 до 0,2
Древесная мука 0,5-0,8 1,1-1,7 0,2-0,4
Целлюлоза 0,3-0,6 0,9-1,5 0,2-0,4
Текстильное волокно 0,3-0,6 0,8-1,4 0,3-0,5
Текстильное волокно + древесная мука 0,2-0,5 0,9-1,5 0,3-0,5
Меламиноформальдегидный олигомер Древесная мука 0,5-0,9 1,3-1,8 1,0-1,9
Целлюлоза 0,5-0,8 1,3-1,7 0,8-1,5
Минеральная мука 0,2-0,4 --- 0,6-1,0
Коротковолокнистый асбест 0,2-0,5 0,9-1,2 0,8-1,3
Мочевиноформальдегидный олигомер Целлюлоза 0,5-0,8 1,4-1,8 0,9-1,5
Полиэфирная смола Рубленное стекловолокно + минеральная мука 0,3-0,5 0,4-0,8 до 0,1

Для порошкообразных композиций с минеральным наполнителем не установлена существенная разница в усадке на образцах, полученных различными способами. Для этих материалов усадка не зависит от направления литниковых каналов, тогда как для порошкообразных и волокнистых композиций с древесным и другими органическими наполнителями это очень важно. Наибольшая усадка наблюдается в направлении течения материала, наименьшая - в перпендикулярном направлении.

При литьевом формовании частицы материала ориентируются поперек направления течения (рис. 1). Такая ориентация создает лучшие условия для диффузионных процессов выхода летучих и одновременного уплотнения материала в направлении течения, чем в перпендикулятном течению направлении.

Ориентация наполнителя при литьевом формовании
Рис. 1. Ориентация наполнителя при литьевом формовании
а - полимер без наполнителя; б - композиция, содержащая пополнитель;
в - формование через долевой литник; г - формование через веерных щелевой литник
(стрелки показывают направление впрыска расплава)

Анизотропия свойств вследствие ориентации наполнителей проявляется в отношении усадки при формовании, коэффициета теплового расширения, механической прочности, она становится причиной возникновения остаточных напряжений в изделии, вызывающих деформации и трещины.

Важнейшими технологическими параметрами, влияющими на качество деталей являются температура впрыскиваемого материала и формы, давление в инжекционном цилиндре и в форме, время заполнения формы, время выдержки в форме и т.д.

Ориентация наполнителя при литьевом формовании
Рис. 2. Зависимости разрушающего напряжения при изгибе Qи (1, 2)
и усадки (3, 4) от температуры сопла литьевого цилиндра:

1, 3 - веерный литник; 2, 4 - долевой литник

Для фенопластов и аминопластов установлено, что с ростом температуры цилиндра и сопла прочностные свойства повышаются, достигая в некоторых случаях максимума. Усадка фенопластов уменьшается при повышенных температурах сопла. При этом веерный литник обеспечивает большую прочность при изгибе Qи и меньшую усадку изделия по сравнению с долевым литником (рис.2).

Давление впрыска и соответственно скорость заполнения формы оказывают существенное влияние на прочностные свойства и усадку материала. С повышением давления впрыска возрастает скорость заполнения формы. Давление на материал в оформляющей полости пресс-формы распределяется при этом более равномерно, образцы имеют хороший внешний вид и высокие прочностные свойства. При длительном времени заполнения формы внешний вид и прочностные характеристики образцов ухудшаются. Это объясняется преждевременным отверждением материала при заполнении формы и в связи с этим ухудшением передачи давления при формовании, что приводит к недостаточной плотности матераала в образце. С повышением давления впрыска возрастает ударная вязкость а образцов из фенопласта (рис. 3). При давлениях впрыска меньше 50 МПа для фенопластов и меньше 80 МПа для аминопластов прочность резко начинает падать, а водопоглащение возрастает вследствие ухудшения качества поверхности и увеличения пористости материала (поскольку плотность его уменьшается).

Ориентация наполнителя при литьевом формовании
Рис. 3. Изменение ударной вязкости (______) и усадки (-----) композиции на основе
новолачной смолы в зависимости от давления впрыска (температура пресс-формы 180°C:

1 - тангенциальная усадка; 2 - радиальная усадка; 3 - после формования;
4 - после выдержки в холодной воде; 5 - после кипячения

С увеличением давления впрыска усадка изделия снижается в тангенциальном и радиальном направлениях, а относительно небольшая анизотропия усадки ( около 0,2% ) сохраняется.

Большое влияние на качество деталей оказывает давление на стадии подпитки расплава после впрыска в форму и время выдержки под давлением. Это давление ( 14-42 МПа ) сильно влияет на массу и размеры деталей, а также на плотность и прочностные свойства материала. При повышении давления до 28 МПа плотность пропорционально растет, а затем она стабилизируется. При давлении свыше 28 МПа резко увеличивается облой. Повышение давления подпитки способствует уменьшению усадки (рис. 4) для фенопластов и полиэфирной композиции, наполенной стекловолокном. С увеличением выдержки под давлением от 5 до 15 сек. физико-механические свойства фенопласта ( по Qи и а) ухудшаются (кроме случая с долевым литником), а теплостойкость по Мартенсу во всех случаях повышается.

Температура формы и время отверждения неразрывно связаны между собой, оба параметра влияют на степень отверждения материала в деталях.

Изменение различных свойств в зависимости от степени или времени отверждения неодинаково. С увеличением продолжительности отверждения одни показатели проходят через максимум (механическая прочность), другие через минимум (водопоглащение), третьи - меняются по экспоненциальному закону (нагревостойкость). Теплофизические свойства реактопластов изменяюотся со степенью отверждения очень незначительно.

Оптимальные свойства материала соответствуют времени отверждения, за которое достигается наилучшая совокупность свойств реактопластов (в зависимости от назначения изделия).

Наиболее важными с точки зрения функционирования свойствами, которые сильно изменяются в процессе отверждения, являются прочностные и электроизоляционные свойства реактопластов.

Ориентация наполнителя при литьевом формовании
Рис. 4. Зависимость усадки реактопластов от давления подпитки
1 - фенопласт общего назначения; 2 - ударопрочный фенопласт;
3 - полиэфирная композиция; 4 - фенопласт электроизоляционного назначения

Определение физико-механических показателей материала на разных стадиях отверждения позволяет установить связь между физико-химическими параметрами отверждения и эксплуатационными свойствами деталей. Независимо от назначения все детали в первую очередь должны иметь удовлетворительные прочностные свойства.

В определенном интервале температур формы наблюдается максимум механических свойств. Например, для фенопластов свыше 190°С наблюдается снижение ударной вязкости, разрушающего напряжения при изгибе по мере возрастания температуры формы.

С ростом времени выдержки в форме физико-механические свойства фенопласта сначала повышаются, достигая максимума, а затем падают. Улучшение механических свойств зависит от степени отверждения. Ухудшение их яляется следствием переотверждения.

Ориентация наполнителя при литьевом формовании
Рис. 5. Усадка радиальная (__________) и тангенциальная (---------) в зависимости
от времени отверждения при различных ремпературах формы для фенопласта
(давление впрыска 122 МПа)

- точка, соответствующая минимальному времени отверждения, определяемому по пластометру Канавца

С увеличением времени отверждения усадка растет, особенно в радиальном направлении (рис. 5). С ростом температуры формы увеличиваются как абсолютные значения усадки, так и ее анизотропия (наименьшая анизотропия усадки наблюдается при 150°С). При увеличении выдержки изделия в форме возрастает пористость материала из-за интенсивного выделения летучих, что обнаруживается по росту водопоглащения. При температурах формы выше 190°С посерхность деталей ухудшается, появляются поры, увеличиватся усадка.