Но даже если в округе отсутствуют чистые формовочные смеси и приходится использовать загрязненные примесями материалы, их недостатки можно скомпенсировать разными способами. Так, расплавления можно избежать отливкой в довольно влажную форму - испаряющаяся влага быстро остужает металл, соприкасающийся со стенками формы, так что его температуры уже недостаточно для расплавления частиц формовочной смеси, да и образующаяся корка успешно противостоит привариванию частиц. Главное, чтобы сама поверхность все-таки не содержала много влаги - иначе пар начнет не только охлаждать, но и корежить металл. А так - сначала своим испарением чуть в глубине формы вода остужает металл, и когда пар все-таки добирается до поверхности формы - он встречает уже прочную корку металла, через которую проникнуть неспособен - остается идти только в обратную сторону - через весь массив формы, к ее стенкам.
Можно управлять процессом пригорания и по-другому - делать более теплопроводные формовочные смеси - например, добавкой ферросилиция - тогда тепло быстрее отходит от внутренних стенок формы - и частицы также не расплавляются. Этот же прием используют и для управления кристаллизацией отливок. Мы - правда, по другому - также применяли управляемую кристаллизацию, например, для отливки колец ДВС - кольца отливались в металлическую форму, в которой внешняя стенка охлаждалась водой - застывание металла шло от внешней стенки, соответственно, кристаллы выстраивались по направлению к ней - износостойкость колец возрастала в несколько раз.
А ведь примеси могут и вступать с металлом в химические реакции, и тогда на поверхности появляется химический пригар. Так, если в формовочной смеси окажутся сульфиды или сульфаты - например, гипс - то, прореагировав с горячим железом, они образуют на нем корку сульфида железа. Да и легирующие добавки металла - те еще штучки. Так, марганец может окислиться, а закись марганца легко реагирует с кварцем - образуются силикаты марганца. Поэтому такие стали, а особенно стали с высоким содержанием марганца - как ту же сталь Гатфильда, использовавшуюся на гусеничных траках - надо отливать в формовочные смеси, в которых не используется песок, а, например, измельченный магнезит. Да и с другими окислами - например, с окислами железа - кварц охотно реагирует с образованием силикатов, а ведь окислы железа могут присутствовать и в материалах формовочной смеси. Но и отсутствие магнезита можно компенсировать хитрыми ходами - добавлять противопригарные добавки - например, уголь, торф или мазут. Под действием высокой температуры их углерод сгорает, то есть соединяется с присутствующим кислородом, и, соответственно, металлам уже будет не с чем соединяться - окислы не образуются, кремнию будет не с кем реагировать. На каждое действие найдется противодействие. Так порой в формовочную смесь добавляют даже масло, солому, опилки, а поверхность могут покрыть органической краской - все эти материалы, сгорая, и дадут необходимый углерод. Причем если крупнокусковые материалы - типа соломы или торфа - добавляют во всю массу, то красками, графитом или мазутом могут покрыть только поверхность формы - это мало того что даст углерод, так еще защитит металл от соприкосновения с другими материалами формовочной смеси. Защитит в самый ответственный момент - до образования корки, когда в основном и случаются всякие пригары и ужимины. Защитит в том числе и пропитав поверхностный слой формы - сделает его крепче, меньше кусков от нее отвалится при отливке и пришкварится к металлу. А если в краску добавить огнеупорные вещества типа талька или растертого шамота, то это придаст дополнительной огнеупорности самой форме - и тогда можно применить и более грязные материалы основной формы.
В общем - все зависит от исходных материалов - есть чистые и подходящие - отлично, нет - повозимся с присадками и замазками. Правда, смазывать красками узкие сечения нельзя - сталь не смачивает краску, и в этих местах возможны неслития металла. Ну да со сложными отливками всегда была отдельная морока. Так, для них очень важна теплопроводность материала формы, иначе быстрый и неравномерный прогрев может просто покорежить форму, и отливка выйдет кривобокой.
Но и основные наполнители формы - глина и песок, ну или магнезит для отливок ряда сплавов - тоже бывают разными. Песок дает газопроницаемость, а глина - скрепление, причем зачастую они замешаны в одной и той же породе, только в разных пропорциях - чистых материалов, состоящих только из одного минерала, в природе пожалуй что и не найдешь. Тощие пески - это пески, в которых глинистых составляющих не более десяти процентов (определяется отмучиванием). Это самый желаемый литейщиками песок - ведь с его помощью можно наиболее точно управлять параметрами литья. Так, чем крупнее зерна такого песка, тем выше газопроницаемость смеси. Песок, оставляющий на ситах с размером отверстий примерно полмиллиметра не менее двух третей своих частиц - очень газопроницаемый - 350-450, а пески, которые две трети оставляют на ситах с размером отверстий меньше десятой миллиметра - имеют невысокую газопроницаемость - порядка 20. Для полужирных, жирных, особо жирных песков с содержанием глины от 10 до 50 процентов газопроницаемость не нормируется - ее измеряют перед непосредственным использованием и вносят коррективы либо в состав формовочной смеси либо в порядок литья - то ли меньше сушить, чтобы металл, остужаемый оставшейся влагой, быстрее покрылся коркой, то ли при отливке прикрыть газовыпускные каналы, чтобы повысить внутри давление и тем самым пропихнуть излишки газов через форму, чтобы они не разрушали образующуюся корку металла и не проходили через сам металл. Важна и форма зерен песка - остроугольная форма дает лучшее сцепление, но снижает газопроницаемость.
Но окончательно газопроницаемость формируется при сушке. Глина, как связующий материал, в мокром состоянии - довольно липкая штука, а в сухом состоянии становится не только твердой, но и пропускающей газы. Цель смешивания - смазать все песчинки глиной, чтобы между ними возникли мостики. Причем сразу после смешивания внутреннее пространство между зернами заполнено в основном набухшей глиной - газопропускная способность невысокая. При сушке же глина теряет влагу, соответственно объем сухой глины меньше по сравнению с влажной - влага-то испарилась, полностью или частично, соответственно, занимаемый ею ранее объем освободился - образуется усадка, и между песчинками появляются поры и каналы - газопроницаемость повышается.
Количество глины и степень просушки формы зависит от вида литья и веса отливки. Для чугунного литья, если отливка выполняется в сырую - то есть не до конца или вообще не просушенную форму, то там глины можно и поменьше - до десяти процентов, а при отливках от двух тонн - до двенадцати. Сухие формы применяются для крупных отливок - от десяти тонн и выше. Там уже требуется до двадцати процентов глины, так как в сухом состоянии она обладает меньшей связуемостью, и кроме того сама по себе форма таких объемов требует более высокой крепкости формовочной смеси. Это для чугунного литья, которое выполняется при меньших температурах, чем стальное, соответственно и требования к газопропускной способности форм ниже. Стальное литье выполняется в сырые формы только для отливок весом до полутонны - все остальные - в полусухие или сухие формы. Причем требования по газопропускной способности выше чуть ли не в три раза, чем для чугунного литья - температура плавления стали выше, чем у чугуна, к тому же сталь менее текуча, чем чугун, и для повышения текучести ее порой приходится сильно перегревать - все это приводит к высоким температурам в форме и соответственно повышенному газообразованию.
Но и глина глине - рознь. Так, если глина имеет низкую температуру дегидратации, то есть очень легко отдает воду, то после сушки такие смеси могут просто осыпаться. В этом случае нужна либо другая глина, либо необходимо добавлять краски, мазут - чем можно было бы скрепить частицы песка помимо глины. Преобладающий размер частиц глины тоже имеет большую важность - так, наибольшую твердость дают глины с повышенным содержанием частиц меньше одного микрометра. И вообще, глины обладают разной связующей прочностью. Соответственно, малосвязующие глины с одного месторождения могут быть пригодны для небольших отливок, а вот для крупных отливок потребуются, например, прочносвязующие во влажном, а то и прочносвязующие в сухом состоянии (марки так и называются - ПВ, ПС) глины с других месторождений. Ну или снова - краски и мазут. Важно и количество примесей в глине - увеличение содержания в глине оксидов кальция и магния с полутора до двух процентов снижает огнеупорность глины с 1600 до 1350 градусов.
Причем даже на одном месторождении разные участки могли давать глины и пески разного состава, более того - один участок мог содержать прослойки разного состава. И все это надо было отслеживать. Так что наличие лабораторий при литейках на местных заводах было вовсе не прихотью, а самой насущной необходимостью - что там за глину с песком привезли ? можно ли ее вообще использовать для литья ? а если можно - какие присадки потребуется ввести, чтобы не возникало проблем ? "На эти и другие вопросы" и отвечали заводские химлаборатории.
ГЛАВА 22.
Вообще, литейная форма как правило состоит из самой формы, задающей внешние обводы отливаемого изделия, и так называемых стержней, которые формируют в изделии различные полости. Причем название "стержень" - очень условно. Это может быть и действительно стержень - длинная круглая палка, которая сформирует канал внутри изделия, а могут быть и разные изогнутые загогулины, почти в точности повторяющие внешние обводы формы, только чуть меньше размером - например, внутренний объем печек или чугунных горшков. Причем, если внешняя часть может опираться на какие-то стенки и имеет развитые поверхности, связанные с окружающим воздухом, то стержни в этом плане работают в гораздо более напряженных условиях - они со всех сторон окружены расплавленным металлом, не могут опереться непосредственно на стенки опоки всей поверхностью, а только отдельными участками, поэтому и делают их более крепкими, для чего в формовочную массу стержней гораздо чаще замешивают помимо глины дополнительные связующие материалы, которые имеют разную природу скрепления смеси.
Так, масла и жиры при сушке полимеризуются, и получающаяся пленка обволакивают зерна песка. Мы в этом качестве применяли льняное масло, как самое доступное. Добавление канифоли увеличивает податливость стержня при усадке отливки, когда она застывает - то есть стержень меньше сопротивляется подвижкам застывающего металла и, соответственно, возрастает вероятность получения отливки запланированного размера и без дефектов - в противном случае материал стержня сопротивлением какой-то своей части может и покорежить застывающую деталь. Были тут и запасы рематола - минерального масла, переработанного хлорированием, от которого затем отщепили хлор, после чего получалось непредельное химическое соединение, способное к полимеризации. Но эти запасы вскоре иссякнут. Вот продукт под названием "крепитель М" мы, в принципе, могли изготавливать и сами - это результат конденсации мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина как катализатора. Все эти вещества тут выделывали на местных заводах лесохимии - мочевина - это аммиак и углекислый газ при температуре 140 градусов и давлении в 200 атмосфер, формальдегид - результат окисления метанола - то есть метилового спирта, выгоняемого из древесины или торфа - с использованием серебряного катализатора при 650 градусах и атмосферном давлении, ну а уротропин - это аммиак плюс формальдегид - реакцию открыл Бутлеров еще в 1859м году. Названо вещество так потому, что еще с конца 19го века используется как лекарство для лечения мочевыводящих путей, а позднее стало применяться еще и как сухое горючее - белые таблетки диаметром три сантиметра и толщиной сантиметр - отличное средство для розжига костров или разогрева пищи нашим ДРГшникам, а позднее мы нашли ему еще одно очень полезное в военном деле применение.
Применяли для скрепления стержневых смесей и газогенераторные смолы, остававшиеся после перегонки торфа и древесины на газ, и сульфитный щелок - отход бумажной промышленности, которого выходило до десяти тонн на одну тонну полученной целлюлозы. Но, так как этот щелок состоял не только из сульфата кальция, но и содержал сахара, сейчас этот щелок мы все больше использовали для производства кормовых дрожжей, этилового спирта, жидкой и твердой углекислоты, растворителей и органических кислот, ванилина и сиреневого альдегида, дубителей - выделывая эти вещества и на уже существовавших тут производствах, и подстраивая к ним новые агрегаты. Давал сульфитный щелок и фурфурол - исходное вещество для получения фурацилина - асептического противомикробного средства. Причем он тут еще не был известен, да и я его вспомнил только потому, что учуял запах свежего хлеба на бумагоделательном заводе - но хлеба там не было, а мне объяснили, что так пахнет фурфурол - исходное вещество для фурацилина - ну я и вспомнил про него по созвучности названий, чем уже в который раз вверг окружающих в состояние легкого офигевания - вот так вот запросто, мимоходом, выдавать критически важные для выживания знания - не часто такое встречается. На том пока и стоим.
Так у нас и появился фурацилин - мощное средство от газовой гангрены, да и вообще для дезинфекции ран, причем сначала появился именно более мощный вариант - с ароматической нитрогруппой в пятом положении, что придавало веществу сродство с чем-то там в вирусах (забыл, что говорили мне биохимики), простейших грамположительных и грамотрицательных бактериях - по сути - тот же антибиотик, только более мягкий и синтезированный полностью искусственно. Потом наши поменяли технологию синтеза, нитрогруппа сместилась и его сила понизилась, так что вернулись к первому варианту синтеза. Позднее нашли еще одну формулу - удлинили боковую цепь (ну почти как в механике !) - активность повысилась, а токсичность - наоборот, стала еще меньше.
Ну это ладно - отвлекся. Так вот, помимо отходов бумажного производства в качестве крепителя стержневых масс можно использовать и отходы спиртовых производств - сульфитно-спиртовую барду, которая, собственно, получается после сбраживания сульфитного щелока. В общем, можно было намешать много разных веществ, главное, чтобы они скрепляли формовочную массу. Причем некоторые вещества были широкого спектра действия, а некоторые подходили только в ограниченном количестве вариантов. Например, декстрин - продукт переработки картофельного крахмала. Желтый декстрин подходил как для мокрых, так и для сухих стержней, а белый держал только мокрые, а если их потом сушили - они рассыпались. Патока, пектиновый клей, торфяные и древесные пеки, остающиеся после перегонки торфа - все, что имело углерод и могло липнуть - могло использоваться для скрепления стержневой массы.
В общем - какое бы связующее не применялось, главное, чтобы оно могло склеить песчинки, а потом, под действием горячего металла, разрушиться, чтобы стержень потерял крепость и его можно было выбить, освободив внутренние объемы отливки. Без такой способности к разрушению связующего вещества эти стержни упаришься доставать. Конечно, не должно происходить саморазрушения - только под воздействием внешней силы в виде молотка, зубила и старательного парня. И чтобы не разрушилось раньше времени, надо правильно сушить - и не при низкой температуре, чтобы не было недосушенности, и не при высокой, чтобы связующее не начало разрушаться еще при сушке. Важна и атмосфера сушильной камеры. Так, стержни на окисляющихся крепителях - льняном масле, олифе, рыбьем жире и тому подобных веществах - должны сушиться при избытке кислорода. Их связующая сила характеризуется йодным числом - количеством йода в миллиграммах, которое может присоединиться к грамму вещества. Уж не знаю, как это связано, но профессионалы утверждают именно так и у меня пока нет причин им не верить, тем более что это работает. Так, одно из лучших связующих - льняное масло - имеет йодное число 185, конопляное - 153. Это высыхающие крепители. Полувысыхающие имеют йодное число меньше 150 - бобовое, подсолнечное, хлопковое. Ну и невысыхающие - менее сотни - рапсовое и касторовое. Добавка сиккативов - солей марганца или свинца - повышает йодное число. Так что - сначала около получаса при просушке удаляется влага, затем температуру повышают - и идут процессы полимеризации. Можно сушить и при 225 градусах, но там если продержать больше часа, резко падает крепость стержня - масляная пленка начинает разлагаться. При 150 градусах максимальная крепость достигается через пять часов, при 175 - через три, при 200 - через полтора, но также важно - не передержать. В итоге, испарившиеся влага и часть масла высвобождают много места для пор, а само масло - точнее, его продукты окисления - полимеризуется, заодно связывая песчинки в крепкую массу. Причем при окислении выделяются не только, скажем, углекислота и вода, но и ядовитые вещества - угарный газ, ненасыщенные кетоны. Блин. А я на подсолнечном любил готовить ... Хотя там время готовки не слишком большое ... но и то - если скажем готовить час - много чего может образоваться. Хотя при длительной готовке температуры не такие уж и большие. У нас-то была другая забота - не потравить рабочих, занимающихся сушкой стержней. Да и взрывы возможны, при недостаточной вентиляции сушильных камер - там ведь надо создавать избыток кислорода, чтобы он окислял масла. А этот же избыток в сочетании с образующимися при окислении веществами может дать взрывоопасную смесь - так что в сушильных камерах даже устраивают взрывные панели, которые случись что примут на себя ударную волну. Ну и потом надо остужать стержни постепенно, чтобы они не растрескались - либо в самой сушильной камере, что неэкономно, либо в отдельных - охладительных - камерах.