2.7. Материалы и печи для литья
Формовочные материалы. В зависимости от их применения формовочные материалы подразделяются на исходные материалы и смеси, а исходные в свою очередь – на основные и вспомогательные. Они имеют также рабочие свойства: природные и технологические. Природные свойства характерны для исходных формовочных материалов – песков и глин. Относятся к ним морфологический, зерновой и химический составы материалов. Рассмотрим это подробнее.
Морфологический состав. При разрушении горных пород образуются размельченные частицы, которые являются основой формовочных смесей. Они переносятся силами природы на большие расстояния и образуют залежи.
Зерновой состав – это размер и форма зерен формовочного материала, соотношение их между разными размерами. Он влияет на свойства формовочных песков. Размер зерен песка влияет на качество поверхности отливки. Более чистая поверхность получается при применении мелкого песка.
Химический состав. Зная химический состав формовочного материала, наличие в нем вредных и полезных примесей, можно определить возможность применения его для приготовления формовочных смесей со свойствами, обеспечивающими получение отливок хорошего качества.
К основным формовочным материалам относятся пески, глины и связующие.
Формовочные пески. Это осадочные горные породы, основную часть которых составляет кварц. Кварцевые пески имеют белый цвет. Различные оттенки формовочному песку придают примеси. Чем их меньше, тем песок светлее и огнеупорнее. Формовочные пески кроме зерен кварца содержат глину. В зависимости от содержания глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей кварцевые пески делятся на три класса: Об1 К, Об2 К, Об3 К (обогащенные). По содержанию кремнезема – на четыре класса: 1 К, 2 К, 3 К, 4 К и глинистые пески по содержанию глины на четыре класса: Т – тощий, П – полужирный, Ж – жирный, ОЖ – очень жирный.
Формовочные глины. Формовочные глины – это горная порода, которая после смачивания становится очень пластичной. Поэтому их применяют в качестве связующего частиц наполнителя при изготовлении прочных формовочных смесей.
Формовочные глины в зависимости от минерального состава делятся на виды, по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии – на группы, а в сухом состоянии – на подгруппы.
Связующие. Это вещества, скрепляющие зерна песка в формовочной смеси. Самой распространенной является глина. Но ее применение имеет много недостатков. Она увеличивает пригар формовочной смеси на стенках отливок, уменьшает податливость, газопроницаемость, текучесть смеси.
Для того чтобы этого избежать применяют в качестве связующих особые материалы – крепители. Их вяжущая способность характеризуется удельной прочностью, под которой понимается прочность сухого образца, приготовленного из смеси с испытуемым крепителем, приходящаяся на 1 % содержания его в смеси.
Лучшими крепителями для стержней считаются растительные масла (льняное, конопляное), а также приготовленные из них олифы. Стержни, приготовленные из таких смесей, обладают высокой прочностью (в сухом виде), хорошо выбиваются из отливки, что очень важно при художественном литье.
В связи с тем, что масляные крепители дорого стоят, применение их ограничено. Большое распространение получили крепители П, сульфитно-спиртовая барда СП и СБ, декстрин, жидкое стекло.
Вспомогательные формовочные материалы. Стенки формы прогреваются до очень высокой температуры (1400 °C), вследствие чего происходит быстрое испарение влаги, содержащейся в формовочной смеси, и выгорание связующих материалов с образованием паров и газов при заливке расплавленного металла. Он может просачиваться в поры формы между зернами песка, часто сплавляя их. Все это отрицательно сказывается на качестве отливаемого изделия. Например, продолжительный нагрев стенки формы может привести к образованию в ней трещин и появлению их отпечатков на поверхности отливок; пары и газы могут проникнуть и остаться в металле, образуя в стенке отливки газовые раковины.
Образование шероховатостей поверхности отливки происходит из-за просачивания металла и вследствие этого пригара песка к ее стенкам. Пригар песка иногда приводит к неисправимому браку.
Для предупреждения подобных явлений применяются вспомогательные формовочные материалы. К ним относятся различного рода добавки, припылы, краски, натирки, формовочные клеи, разделительный песок и пр.
Добавки. Добавки – это опилки, молотый каменный и древесный уголь, конский волос, чугунная дробь. Их используют при изготовлении крупных форм и стержней, подвергающихся сушке перед заливкой металла. Для уменьшения пригара смеси к стенкам отливки добавляют от 3 до 6 % каменноугольной пыли. В производстве крупных архитектурных отливок во избежание образования трещин, которые появляются при сушке, в формовочную смесь добавляют конский волос. Для быстрого охлаждения массивных частей отливки применяют чугунную дробь, которую добавляют в формовочную смесь.
Припылы. Припылы – это порошки, наносимые на внутреннюю поверхность сырой формы. Это делается для того, чтобы расплавленный металл не смачивал стенки формы. Также предупреждается образование пригара на отливке.
В зависимости от размера изделия и толщины его стенок в качестве припыла применяют древесноугольный порошок, серебристый или черный графит, цемент и маршаллит.
Другие вспомогательные материалы. В сухих формах защитную пленку путем окрашивания стенок и стержней специальными формовочными красками. В их состав входят растворитель (вода или спирт), наполнитель (основной огнеупорный материал) и связующее вещество. Когда нужно получить особо чистую поверхность отливки, стержень натирают защитной пастой.
Для разделения одной части формы от другой применяют разделительный песок. Он не должен содержать глину, так как она обладает клеящим свойством. Используют обычно кварцевый песок. При изготовлении небольших форм применяют древесноугольный порошок, используемый для припыла. Стержневой клей используют для склеивания попарно частей больших и сложных частей. Иногда их склеивают раствором белой глины.
Формовочные смеси и их свойства. Если мы хотим получить отливку со сложным рисунком и тонкими стенками, то нужно обратить внимание на качество формовочной смеси при приготовлении литейной формы. Ее свойствами является прочность, пластичность, газопроницаемость, огнеупорность, податливость, состав зерен, теплопроводность. Коротко характеризуем каждое из них.
Прочность. Зависит от количества в ней глины и влаги, от формы и поверхности зерен песка смеси и степени уплотнения ее в форме. Чем больше глины и чем шероховатее поверхность зерен, тем лучше склеивание между собой и тем прочнее формовочная смесь.
Пластичность формовочной смеси зависит от размера зерен песка, количества содержащейся в ней глины, влаги и способа приготовления смеси.
Газопроницаемость. При заливке формы образуется большое количество паров и газов. Они препятствуют нормальному заполнению металлом полости формы. При повышенном давлении газ может проникать в металл, образуя газовые раковины в отливках. Способность формовочной смеси пропускать через стенки формы пары и газы, образующиеся при заливке, называют газопроницаемостью.
Огнеупорностью называют свойство смеси сопротивляться оплавлению под действием температуры заливаемого металла. Она зависит от размеров зерен песка и его химического состава. Чем крупнее зерна, тем труднее металлу оплавлять их, тем меньше пригорит смесь к стенкам отливки. Чем меньше в смеси легкоплавких составляющих, тем выше ее огнеупорность.
Залитый в форму металл при кристаллизации и охлаждении уменьшается в объеме, и готовая отливка будет иметь несколько меньшие размеры, чем полость формы. Такое явление называют усадкой отливки.
Литейная форма не должна сопротивляться усадке металла. Иначе в стенках отливки могут образоваться трещины из-за напряжений, возникающих в металле.
Свойство формовочной смеси, характеризующее сопротивление усадке отливки в форме, называется податливостью.
Разновидности формовочных смесей. При получении художественных отливок мы применяем формовочные смеси, которые делятся на несколько видов:
1. По типу использования – облицовочные, наполнительные, единые;
2. В зависимости от применяемых при приготовлении смеси песков – природные, или естественные, и искусственные, или синтетические;
3. По роду применяемого для отливки металла – для чугунного литья и для цветного;
4. По состоянию формы перед заливкой – для форм, заливаемых в сыром виде, и для заливания после сушки;
5. Специальные формовочные смеси.
Облицовочной смесью называют такую смесь, которую используют для изготовления рабочего слоя формы, соприкасающегося с моделью. Она первой принимает на себя температурные воздействия и должна обладать хорошей прочностью, пластичностью, огнеупорностью и газопроницаемостью.
Наполнительная – это такая смесь, которой заполняется форма после нанесения облицовочной.
Единые смеси применяются при машинной формовке. При изготовлении цветных отливок и тонкостенных ажурных и чугунных применяют природные формовочные смеси.
Искусственные, или синтетические, смеси представляют собой смесь песка или нескольких видов песка и глины с отработанным составом.
Для форм чугунных отливок используется смесь, обладающая хорошей огнеупорностью и газопроницаемостью, из-за высокой температуры чугуна, заливаемого в форму.
При производстве литейных форм для отливок из цветных металлов и сплавов (алюминиевые сплавы, бронза, латунь) применяют мелкозернистые формовочные смеси.
В формах, заливаемых по-сырому, применяются смеси крупных песков. Отработанную смесь используют при заливке форм после сушки. Освежается она за счет облицовочной смеси. В процессе художественного литья бывают моменты, когда применяют специальные формовочные смеси. Они бывают жидкими и песчано-смоляными.
Материалы для отливок. При художественном литье металлы в чистом виде практически никогда не применяют, так как их свойства не соответствуют требованиям, предъявляемым к отливкам. При соединении двух и более элементов в определенных пропорциях получаются сплавы. Они бывают нескольких разновидностей: цветные (медь, олово, алюминий, свинец, цинк, магний и т. д.), черные сплавы (чугун и сталь). Наибольшее распространение получили медные сплавы в производстве монументальных отливок, а серый литейный чугун – при отливке малых форм.
У всех металлов и сплавов имеются определенные механические, технологические и физические свойства. Немного подробнее о каждом из них.
Механические свойства – это прочность сплава, твердость, пластичность, вязкость, упругость.
К технологическим относятся литейные свойства сплавов, их свариваемость и способность к обработке резанием.
Физическими свойствами являются температура плавления сплава, цвет, плотность, расширение при нагревании, магнитные свойства, электро– и теплопроводность.
Также у сплавов есть литейные свойства. К ним относятся такие, как: жидкотекучесть, ликвация и усадка. Ниже приводятся объяснения по каждому свойству.
Жидкотекучесть – качество заполнения металлом литейной формы. Когда мы изготовляем ажурную художественную отливку со сложной поверхностью, хорошая жидкотекучесть просто необходима. Химический состав сплава и температура заливки – показатели жидкотекучести. У чугуна она увеличивается при повышении содержания кремния, фосфора и углерода, а сера и марганец понижают жидкотекучесть. Существует специальная литейная форма со спиралевидным каналом, при помощи которой и определяют жидкотекучесть.
Залитый в форму сплав при охлаждении теряет объем. Это называется усадкой, которая бывает объемной и линейной. Если в отливках возникает внутренние напряжения, вызывающие трещины, пористость, усадочные раковины, то причиной этому стала усадка.
Она также негативно влияет на объем и размеры изготовляемых отливок.
При кристаллизации сплава возникает неоднородность химического состава – это ликвация, которая наиболее выражена в массивных сечениях изделия.
Употребляемые литейные сплавы. Теперь нам необходимо подробнее остановиться на рассмотрении сплавов, применяемых при художественном литье. Как уже говорилось выше, их несколько.
Медные сплавы. Современные исследования историков и археологов свидетельствуют о том, что медь, вероятнее всего, была первым металлом, которым овладел человек, научившись выплавлять его из руд. Произошло это, судя по возрасту найденных в последнее время археологами древнейших изделий из меди, почти 10 тысяч лет назад.
С открытием металлургии медь и ее сплавы на много веков стали материальной основой техники. Затем люди научились выплавлять железо, и медь на целые тысячелетия утратила свое первостепенное значение в производстве орудий труда. Со временем наука и техника подготовили новые сферы использования меди. Медь стала одним из самых важных и широко распространенных легирующих элементов в десятках новых сплавов. Да и в электротехнике медь всегда являлась материалом номер один.
Если изделие будет работать в условиях повышенного трения, во влажной среде (морская вода), то такие детали необходимо изготавливать из медных сплавов. Также они имеют хорошие литейные свойства и их используют в художественном литье. Существуют два вида медных сплавов – бронза и латунь. Расскажем немного о каждом. Олово, свинец (см. описание выше), марганец, алюминий, добавленные к меди, – это и есть бронза. В свою очередь и бронза бывает двух видов – оловянная и безоловянная. Оловянные бронзы имеют как достоинства (высокое сопротивление износу и действию воды, хорошая жидкотекучесть), так и недостатки (высокая стоимость, низкая прочность при повышенной температуре, склонность к образованию усадочной пористости). Безоловянные бронзы обладают хорошей коррозийной прочностью и стойкостью, недороги, но в то же время отливки из них получаются с усадочными раковинами, не очень плотными.
Латунь – это сплав меди с цинком (см. применение цинка ниже). Иногда при плавке латуни добавляют и другие химические элементы. Эти сплавы чаще всего используют при изготовлении отливок со сложной поверхностью, потому что они имеют более плотную структуру и малую газовую пористость.
Алюминиевые сплавы. Бокситы – главная руда алюминия. Своим названием этот вид минерального сырья обязан местности Ле-Бо на юге Франции, XIX веке впервые были обнаружены его крупные залежи. Однако знакомство человека с этой рудой произошло гораздо раньше – в самом начале нашей эры. Сохранилось письменное свидетельство Плиния Старшего о том, как безыменный мастер изготовил для императора Тиберия серебристый сосуд из "глины". Император, отличавшийся недоверчивостью, подозрительностью и вероломством, приказал казнить мастера, так как побоялся, что доступное "глиняное серебро" обесценит его серебряные сокровища. Загадочная глина осталась безвестной еще на восемнадцать столетий.
XIX век, прославившийся крупными научными открытиями, дал путевку в жизнь многим химическим элементам, полезным ископаемым, металлам. Промышленная революция требовала новых материалов – прочных, легких, красивых. Но, как это нередко случается, путь нового материала от лаборатории до промышленного производства занимает десятилетия. Так было и с алюминием. От удачного эксперимента датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, которому удалось получить чистый алюминий в виде тонкого порошка в 1825 году, а через 20 лет удалось получить новый металл в виде мелких зерен, до электролитического способа получения алюминия из глинозема прошел 61 год! В 1886 году в США студент Холл и во Франции химик Эру независимо друг от друга запатентовали этот способ, заложивший фундамент бокситодобывающей и алюминиевой промышленности.
В те годы выдающемуся русскому ученому Д. И. Менделееву на юбилей преподнесли брошку в виде маленькой ящерицы. Этот подарок считался сенсацией, так как ящерица была выполнена из совершенно нового, чрезвычайно редкого и дорого материала – алюминия.
В основном этот новый металл – алюминий, получали в небольших количествах химическими методами, и стоил он ненамного дешевле золота. Наряду с золотом и серебром алюминий шел на изготовление ювелирных изделий. Так, в 50-х годах XIX века из алюминия и золота сделали погремушку для сына французского императора Наполеона III (рис. 2.11).
Центральный шар погремушки и корона на нем сделаны из золота, а ангелочки и ручка в виде ангела – из алюминия. Погремушка украшена драгоценными камнями. (Коллекция сведений не слишком известных // Наука и жизнь. № 2, 1979).
А в 1884 году из алюминия сделали верхушку памятника Вашингтону в столице США. Пирамидка весом около 25 кг перед установкой на вершине обелиска была выставлена в витрине крупного ювелирного магазина в Нью-Йорке на удивление прохожим, никогда в жизни не видевших таких количеств драгоценного металла. Собственно, по своим качествам алюминий и сейчас заслуживает этого звания – необычайная легкость, красивый блеск после шлифовки и благородная матовость в окисленном виде, устойчивость к химикатам и легкость обработки делают его хорошим материалом для ювелирных и чеканных изделий. Но распространенность алюминия в горных породах и легкость получения в больших количествах почти совершенно лишили его этой роли. Зато в технике и строительстве алюминий – поистине драгоценный металл.
Из года в год стоимость алюминия снижается, а сфера применения расширяется. Почему? Этот металл имеет ряд уникальных свойств – он устойчив к коррозии, легок, весьма просто обрабатывается. Алюминий и его сплавы можно резать, штамповать и даже прессовать через специальные фильеры, выдавливая словно крем. Все эти свойства привлекают внимание инженеров, дизайнеров к широкому применению металла и его сплавов в строительстве, художественном литье и т. д.
Алюминиевые сплавы делятся на группы и марки, обладают хорошими литейными свойствами, великолепно обрабатываются, имеют малую плотность и довольно прочны. Наибольшее применение имеет группа сплавов кремния с алюминием. Их называют силуминами.
Серый чугун. Если учесть дефицитность и высокую стоимость медных сплавов, то лучшей замены им, чем серый чугун, не найти. Он обладает хорошими технологическими свойствами, высокой коррозийной стойкостью и низкой стоимостью. Поэтому широко применяется при изготовлении малых форм.