Состав формовочной смеси для литья бронзы. Точное литье по выплавляемым моделям в домашних условиях: технология, преимущества и недостатки

К атегория:

Изготовление форм

Формовочные материалы и смеси

Формовочные материалы. Формовочные материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, делятся на следующие группы: пески, связующие, противопригарные, высокоогнеупорные, специальные и подсобные.

Цески (кварцевые, глинистые) образовались в результате разрушения горных пород (гранита, базолита и др.); они состоят из зерен минерала кварца (Si02) размером 0,06-1,6 мм с примесью глины и других минералов (окислы железа, полевые шпаты). Кварц обладает большой твердостью и высокой огнеупорностью (температура плавления 1713 °С).

Кварцевые пески содержат до 2% глины и незначительное количество посторонних примесей, глинистые содержат глины до 50%. Глинистые пески по содержанию глины разделяются на тощие (2-10%), полужирные (10-20%), жирные (20-30%) и очень жирные (30-50% глины).

Связующие материалы: формовочная глина, жидкое стекло, сульфитная барда, различные крепители, этилсиликат, пульвербакелит и др.

Формовочная глина обладает высокой огнеупорностью (температура плавления 1750-1787 °С) и состоит из очень мелких (0,001 мм) минеральных частиц, которые при взаимодействии с водой образуют клейкие растворы.

Жидкое стекло, сульфитная барда, крепители вводят в смеси, противопригарные краски и другие составы для придания им прочности.

Противопригарные материалы (графит, пылевидный кварц, тальк, каменный уголь и др.), а также приготовляемые из них литейные краски, пасты-натирки наносят на поверхность форм и стержней с целью предупреждения пригара формовочных материалов к поверхности отливок. Графит и пылевидный кварц -применяют как припыл и при приготовлении красок и натирок. Каменный уголь добавляется в состав формовочных смесей.

Высокоогнеупорные материалы (шамот, хромистый железняк, циркон, магнезит, асбест и др.) применяют при изготовлении литейных форм и стержней для очень крупных и массивных отливок из легированных (нержавеющих, жаропрочных и т. д.) сталей, а также многократно используемых форм.

Специальные материалы - чугунная дробь, каустическая сода, формалин, древесные опилки, торф и др. Чугунную дробь применяют при изготовлении отливок специальным методом литья как наполнитель. Древесные опилки, торф и др. вводят в смеси для повышения газопроницаемости и податливости высушиваемых форм и стержней.

Подсобные материалы - модельные пудры, разделительные жидкости, клей и др. Модельные пудры и разделительные жидкости применяют при изготовлении форм и стержней для того, чтобы при извлечении модели из формы, а также стержня из стержневого ящика не повредить их поверхность. Клей применяется при сборке стержней и форм для склеивания половинок.

Основные свойства формовочных материалов: теплопроводность, теплоемкость, газопроницаемость, прочность, текучесть и др.

Формовочные смеси. В настоящее время в литейных цехах применяют большое количество разнообразных формовочных смесей. Выбор состава смесей обусловливается характером (весом, размерами, формой, родом сплава) изготовляемых отливок, а также видом применяемых форм (сырые, сухие, поверхностно подсушенные, химически твердеющие).

В зависимости от назначения смеси разделяются на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь имеет наиболее высокое качество и употребляется для покрытия рабочей поверхности формы, непосредственно соприкасающейся с расплавленным металлом. Толщина слоя облицовочной смеси зависит от рода и характера отливки (15-50 мм).

Наполнительная смесь насыпается поверх облицовочной, обладает меньшей прочностью и газопроницаемостью и дешевле. Приготавливается наполнительная смесь путем переработки бывшей в употреблении формовочной смеси с добавлением (3-5%) свежих материалов (песка и глины).

Единая смесь составляет весь объем формы и применяется при машинной формовке, на автоматах в условиях массового производства мелких и тонкостенных отливок. От наполнительной смеси она отличается большим содержанием свежих материалов и лучшими физико-механическими свойствами.

Стержневые смеси. Состав и свойства стержневых смесей обусловливаются главным образом классом изготавливаемых стержней.

Ответственные стержни первого класса изготавливаются из стержневых смесей, состоящих целиком из кварцевого песка с добавлением крепителей. Крупные стержни изготавливают из более дешевых стержневых смесей, в них очень часто входит бывшая в употреблении смесь (20-35%), а связующим является формовочная глина, сульфитная барда, а в качестве органической добавки - древесные опилки.

Стержневые смеси должны обладать теми же свойствами, что и формовочные. Но учитывая, что большая часть стержня (кроме знаков) подвергается воздействию высокой температуры и давлению заливаемого металла в форму, их делают с более высоким показателями прочности, газопроницаемости, податливости и огне упорности.

В состав стержневых смесей чаще всего входит чистый кварцевый песок от 70 до 100%;, огнеупорная глина или бентонит и различного рода крепители. Такие смеси обладают высокой газопроницаемостью до 120, прочностью до 0,55 в сыром состоянии и до 12 кг/см2 в сухом. За последние годы широкое применение для изготовления стержней получили жидкие самотвердеющие смеси, обладающие хорошими технологическими свойствами.

Регенерация отработанных смесей. Регенерации подвергаются отработанные смеси, накапливающиеся в обрубно-очистном отделении (от выбивки стержней, от очистных машин), просыпи, собираемые с пола формовочного и стержневого отделений, сушильных камер и др. Такая смесь содержит в себе много пыли, золы от сгоревших опилок и угля, куски стержней и форм, различные металлические и неметаллические включения, а также до 60-80% зерен песка, пригодных к дальнейшему применению. Для извлечения зерен песка из этой смеси ее подвергают переработке: разминанию комьев, магнитной сепарации, просеиванию и обеспыливанию.

Получение высококачественных отливок в значительной степени зависит от качества формовочных материалов и смесей, из которых изготовлены формы и стержни.

Формовочные материалы разделяют на основные - пески, глины и вспомогательные, к которым относятся связующие, применяемые для приготовления стержневых смесей, противопригарные материалы (каменный уголь, графит, краски, хромистый железняк, циркон и др.), а также клей, замазки, припылы и т. п.

Формовочные пески

Формовочные пески поставляются в естественном и обогащенном состояниях. По ГОСТ 2138-74, пески в зависимости от содержания глинистой составляющей (так называются зерна с величиной в поперечнике менее 0,022 мм), кремнезема и вредных примесей делятся на классы, а в зависимости от величины зерен основной фракции - на группы.

Для определения группы песка его нужно просеять через стандартный набор сит и выяснить, на каких трех смежных ситах осталась наибольшая сумма остатков (в массовых единицах), называемых основной фракцией. Зная, на каких ситах располагается основная фракция песка, его можно отнести к группе, которая определяется средним номером сита.

Формовочные глины

Формовочные глины, применяемые в литейном производстве в качестве минеральных связующих в формовочных и стержневых смесях, классифицируются по минералогическому составу, по пределу прочности во влажном и сухом состояниях, по содержанию вредных примесей и по некоторым другим свойствам.

По минералогическому составу формовочные глины делятся на виды, по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии - на группы, в сухом - на подгруппы. В зависимости от содержания вредных примесей формовочные глины делятся на группы.

Главное различие между формовочными глинами заключается в том, что они имеют разные кристаллические решетки, в связи с чем на поверхности могут образоваться водные пленки разной толщины. Наименьшее количество воды может удержаться на поверхности каолинитовых зерен, а наибольшее - на поверхности монтмориллонитовых зерен. Из этого следует, что монтмориллони-товые (бентонитовые) глины целесообразно использовать при формовке по сырому. Применение этих глин позволяет в 2-3 раза снизить содержание глинистой добавки в смесях, повысить их газопроницаемость, в ряде случаев заменить формовку по сухому формовкой по сырому, улучшить поверхность отливок и т. д. При формовке по сухому можно использовать глины любого вида.

При приготовлении формовочных и стержневых смесей все составные части, за исключением воды и жидких связующих, загружают в смесители в размолотом или сыпучем виде. Так как процесс получения глиняного порошка связан с обильным пылевыде-лением, то при изготовлении чугунных отливок по сырому вместо него применяют глиняные или глиняно-угольные суспензии.

3. Связующие материалы

Стержневые смеси, в которых связующим является формовочная глина, как правило, не обеспечивают таких качеств стержней, как прочность, газопроницаемость, выбиваемость. Вследствие этого глину приходится заменять материалами, обладающими высокой связующей способностью и придающими стержням значительную прочность при сохранении хорошей выбиваемости и газопроницаемости.

Связующие материалы подразделяются на органические и неорганические и на три класса:
А - органические неводные, Б - органические водные и В - неорганические водные.

Класс А объединяет связующие, которые обладают связующей способностью и не требуют добавления воды. Они не растворяются в воде, не смешиваются с ней и не смачиваются ею (масла, олифы, пеки, битумы, канифоль). В класс- Б входят связующие, растворяющиеся в воде, после чего они приобретают способность связывать песок (декстрин, сульфитно-спиртовые барда и бражка). К классу В относятся все неорганические связующие (формовочная глина, цемент, жидкое стекло), которые, так же как и связующие материалы класса Б, оказывают свое действие только после добавления к ним воды.

Для удобства пользования связующие каждого класса разбиты на три группы. В каждую из трех групп входят связующие, обладающие примерно одинаковыми физико-механическими и технологическими свойствами. Основным признаком отнесения связующего к той или иной группе является прочность (временное сопротивление разрыву, в кгс/см2, пробного образца в сухом состоянии), приходящаяся на 1% связующего материала, введенного в состав смеси.

Оценка связующих производится по технологической пробе в лабораторных условиях. Из полученной смеси со связующим изготовляют образцы для испытания прочности на сжатие всырую и на разрыв всухую, а также на газопроницаемость. Сушка образцов производится в соответствии с техническими условиями на данное связующее.

В большинстве случаев связующими являются побочные продукты, получаемые прн переработке нефти, горючих сланцев, древесины, хлопкового масла и др.

4. Противопригарные и другие вспомогательные материалы

В результате химического и механического взаимодействия формы или стержня с жидким сплавом, недостаточной огнеупорности и увеличенной пористости смесей, а также высокой температуры заливки на отливках образуется пригар. Для борьбы с ним применяют специальные противопригарные материалы.

Каменный уголь. При формовке по сырому в состав смеси вводят добавки каменного угля в измельченном состоянии следующего состава, в %: летучие вещества - не менее 30, сера - не более 2 и зола - не более 11, влага - не более 12. Каменный уголь может быть заменен эстонским сланцем в виде порошка.

При нагревании формы жидким сплавом частицы угольной либо сланцевой пыли выделяют летучие вещества и сгорают с образованием окиси углерода, при этом между сплавом и формой образуется газовая прослойка, которая исключает возможность смачивания зерен песка сплавом и образования пригара.

Пылевидный кварц. Различают два вида этого материала: естественный и искусственный. Наибольшее применение имеет искусственный пылевидный кварц, который получают путем размола кварцевого песка.

Пылевидный кварц используют при производстве стальных отливок в качестве добавки в облицовочные смеси. Это уменьшает пористость рабочего слоя формы или стержня, в результате чего уменьшается механический пригар.

При введении пылевидного кварца в состав краски для покрытия формы и стержня на поверхностях образуется высокоогнеупорный слой, защищающий их от влияния высокой температуры заливаемого сплава.

Циркон. При обогащении титаноцирконовых руд получают материал, называемый цирконом. Промышленность выпускает цир-коновый концентрат для приготовления облицовочных формовочных и стержневых смесей и цирконовый порошок для красок.

Циркон - высокоогнеупорный материал (температура его плавления 2190 °С), он не вступает в химическое соединение с железом и легирующими элементами и является хорошим противопригарным материалом.

Хромистый железняк. Продукт помола хромитовой руды - хромистый железняк характеризуется высокой огнеупорностью-Температура его плавления около 1850° С. Отсутствие сродства с окислами железа и постоянство объема при нагревании обеспечивают получение отливок высокого качества.

Применяют облицовочные формовочные и стержневые смеси следующего состава, в : хромистый железняк (просеивается через сито с ячейками 1,5×1,5 мм) -100 и сверх 100 сульфитно-спиртовая барда - 2-3.

Физико-механические свойства смеси: прочность на сжатие в сыром состоянии - 0,5-0,7 кгс/мм2; влажность - 5-6%.

Толщина облицовочного слоя должна быть 10-30 мм, а подслоя из песчано-глинистой смеси - 40-60 мм. Остальной объем опоки заполняется обычной наполнительной смесью, а стержни - стержневой опилочной смесью.

Графит. Широко применяемый в чугунолитейном производстве графит является высокоогнеупорным материалом. Различают графит кристаллический - в виде серебристых чешуек и скрытокри-сталлический (аморфный) - в виде черного порошка.

Припылы и краски. При формовке по сырому поверхности форм покрывают различными припылами (серебристым графитом, сланцем, цементом и др.). Для улучшения поверхностной прочности формы наряду с припылом применяют опрыскивание поверхностей сульфитно-спиртовой бардой (плотностью 1,1) или патокой (плотностью 1,28).

Для покрытия форм и стержней по сухому используют краски и натирки. В состав их входят противопригарные материалы (аморфный графит, пылевидный кварц, тальк, молотый кокс и др.) и связующие вещества (бентонитовая глина, сульфитная барда, патока и Др.) Для предохранения красок от брожения в них вводят формалин.

Натирочные пасты, замазка и клей. Натирочные пасты применяют в тех случаях, когда образуемые стержнями полости в дальнейшем не подвергаются механической обработке и требуют большой точности размеров и чистоты поверхности. Для особо ответственных стержней для чугунных отливок используют пасты следующего состава: серебристый графит - 1 часть; аморфный графит - 1 часть; сульфитно-спиртовая барда -- до получения однородной пасты в виде густой сметаны.

Стержневые клеи служат для склеивания и ремонта стержней. Сульфитный клей состоит из 5 частей сульфитно-спиртовой барды, 5 частей формовочной глины и 2 частей воды. Клей наносят ровным слоем на склеиваемые поверхности половинок стержней.

При спаривании крупных и средних стержней швы заделывают специальными замазками, в состав которых входят, в %:
мелкий кварцевый песок - 60, черный графит - 25 и формовочная глина - 15.

5. Основные свойства формовочных материалов и смесей

Формовочные материалы и смеси, из которых изготовляют литейные формы и стержни, должны обладать определенными свойствами, обеспечивающими получение высококачественных форм, стержней и отливок.

Влажность влияет на все свойства формовочных смесей и главным образом на газопроницаемость, прочность и текучесть. Пониженная влажность повышает осыпаемость смеси и затрудняет формовку, а повышенная снижает прочность всырую, увеличивает прилипаемость смеси к модели и снижает газопроницаемость, вследствие чего возникает опасность образования вскипа отливки.

Газопроницаемость - очень важное свойство формовочных материалов и смесей. Низкая газопроницаемость смесей может быть причиной образования газовых раковин в отливках. Газопроницаемость зависит от формы зерен, однородности зерновых составляющих смеси, от содержания в ней глинистых веществ и ряда других причин. Для повышения газопроницаемости мелкого песка его необходимо смешивать с 50-60% крупного песка.

Прочность. Недостаточная прочность формовочных смесей ведет к деформации форм и стержней, искажению отливок, вызывает распоры и обвалы. Прочность зависит от влажности смеси, количества глинистой составляющей, зернистости песка и степени уплотнения. Она регулируется дозировкой глины.

Прочность формовочных смесей в сухом состоянии возрастает с увеличением в них содержания глины и влаги. Более высокая прочность может быть достигнута при использовании специальных связующих материалов.

Прочность стержневых смесей зависит от вида и количества применяемого связующего и должна находиться в определенных пределах.

Твердость характеризует степень и равномерность уплотнения формовочных смесей. Переуплотнение, так же как и недостаточное уплотнение смеси, вызывает дефекты отливок: распоры, вскип, газовые и земляные раковины, пригар и др.

Определение этих и других свойств формовочных материалов и смесей производится в цеховых лабораториях.

6. Формовочные смеси

В литейном производстве наибольшее применение имеют песчано-глинистые смеси, которые классифицируются по способу формовки и по роду сплава, заливаемого в формы.

Смеси разделяются на единые облицовочные и наполнительные. Единой называют смесь, используемую для набивки всей формы (в основном при машинной формовке). Облицовочными смесями оформляют только ту часть формы, которая соприкасается с жидким сплавом. Наполнительную смесь наносят на слой облицовочной, ею заполняют и остальную часть формы.

По состоянию формы перед заливкой различают смеси для формовки по сырому и по сухому. По роду сплава, заливаемого в формы, различают формовочные смеси для чугунных, стальных и цветных отливок.

Состав смеси для чугунного литья зависит от массы отливки, толщины стенок и технологии изготовления формы.

Для стальных отливок формовочные смеси должны иметь более высокую огнеупорность и газопроницаемость, чем смеси для чугунного литья.

Для форм цветных отливок могут применяться смеси со значительно более низкой огнеупорностью, чем у смесей для чугунного и стального литья.

Для повышения чистоты поверхности отливок из сплавов на медной основе в состав формовочной смеси вводят глинистые пески класса П. Фтористая присадка, вводимая в формовочную смесь при литье из магниевых сплавов, дает возможность избежать окисления сплава в процессе заливки и затвердевания отливки. Она может быть заменена борной кислотой или серным цветом.

7. Быстроотверждающиеся, химически отверждающиеся и самоотверждающиеся пластичные и жидкие смеси

Наряду с обычными песчано-глинистыми получили распространение разработанные в нашей стране формовочные смеси с особыми свойствами.

Быстроотверждающиеся смеси.

Связующим материалом в них также является жидкое стекло. Однако процесс отверждения осуществляется не за счет продувки углекислым газом, а под действием добавки смесь отвердителя - шлака феррохромового производства. Живучесть пластичной смеси обычно равна 20- 25 мин, поэтому ее приготовляют в два этапа: основную жидко-стекольную смесь изготовляют в смесеприготовительном отделении, а ввод в нее шлака, просеянного через сито с ячейками 0,5 мм, производят непосредственно на участке формовки с перемешиванием в шнековом смесителе.

Облицовочную смесь наносят на модель слоем толщиной 50 мм и более, в зависимости от габаритов и толщины стенки отливки. Остальной объем опоки заполняют оборотной смесью. Продолжительность выдержки крупных форм - не менее 1 ч. После извлечения модели форму окрашивают самовысыхающей огнеупорной либо обычной водной краской. В последнем случае применяют поверхностную подсушку.

Жидкие самоотверждающиеся смеси (ЖСС ) отличаются от пластичных тем, что в их состав вводятся поверхностно-активные вещества (ПАВ ), которые при перемешивании смеси образуют на границах зерен пену. Пузырьки этой пены снижают силы трения между зернами песка, что придает смеси жидкоподвижность (текучесть). В качестве поверхностно-активного вещества чаще всего используют детергент советский рафинированный (ДС-РАС ).

ЖСС применяют при изготовлении крупных отливок и стержней, причем в отличие от всех смесей их «заливают«» в опоки и стержневые ящики. Время сохранения смесью текучести обычно составляет 9-10 мин, в течение которого она должна быть использована. Установка для приготовления ЖСС размещается непосредственно на формовочных или стержневых участках. Производительность установок -до 30 т/ч.

8. Стержневые смеси

9. Технология приготовления формовочных стержневых смесей

Технологический процесс приготовления формовочных и стержневых смесей состоит из трех этапов: подготовки свежих материа-н» подготовки отработанных смесей и изготовления смесей.

Подготовка свежих материалов заключается в их сушке, дроблении и просеивании.

Сушка песка и глины производится в барабанных сушилах производительностью от 3,2 до 29,2 т/ч для песка и 0,9-8 т/ч для глины, а также в установках для сушки и охлаждения песка в кипящем’слое производительностью 3-10 т/ч.

Для дробления и измельчения комьев песка и сухой глины, угля, комьев отработанной смеси, сухих бракованных стержней применяют размалывающие бегуны, валковые дробилки, шаровые мельницы мокрого измельчения угля.

Просеивание формовочных материалов перед употреблением осуществляют в передвижных землесеялках, а также в вибрационных и полигональных ситах производительностью от 5 до 125 т/ч и через плоские сита производительностью 50 т/ч.

Подотовка отработанной смеси заключается в магнитной сепарации ее для извлечения металлических включений. Смеси, применяемые при пескометной формовке, подвергаются двойной сепарации.

Приготовление смесей. Технологический процесс приготовления формовочных смесей состоит из дозирования сухих составляющих и загрузки их в бегуны в следующей последовательности: оборотная смесь+песок+глина в порошке или в виде эмульсии – каменный уголь (для чугунных отливок, формуемых по сырому) или опилки (для формовки по сухому); после предварительного перемешивания добавляются жидкие компоненты.

Для смешивания составляющих применяют бегуны периодического действия с вертикально вращающимися катками или центробежные с горизонтально вращающимися катками.

В литейных цехах серийного и массового производства создаются центральные смесеприготовительные отделения, оснащенные высокопроизводительным современным оборудованием и разветвленной транспортной системой. В некоторых из них комплексно механизировано и автоматизировано управление всеми операциями по приготовлению смесей.

10. Регенерация отработанных формовочных и стержневых смесей

Широкое внедрение в литейном производстве специальных смесей, приготовляемых из свежих кварцевых песков, а также ежегодный прирост производства отливок ведет к систематическому повышению расхода кварцевых песков, природные ресурсы которых небезграничны. В целях сокращения расхода их необходимо частично заменять регенерированными (восстановленными) песками из отработанных смесей, в настоящее время вывозимых в отвал.

Рис. 1. Установка для регенерации отработанных смесей.

Пятилетний опыт работы установки показал, что получаемый регенерат является полноценным заменителем свежего кварцевого песка и может быть использован для приготовления формовочных и стержневых смесей.

Рассмотрим три наиболее известные из них:

Литье по шаблонам в земляные формы.
Литье по выплавляемым моделям.
Литье по выжигаемым моделям.

Инструменты для формовки и приспособления для литья по моделям

Формовочный инструментарий (инструменты, используемые для набивки формы и удаления из нее модели или шаблона): лопатка, сито, трамбовка, линейка, специальный правильный брусок, вентиляционная игла, киянка, мастерок, шпатель, кисти.

Инструменты для отделки формы: гладилки, отделочные и подрезные ланцеты.

Оснастка для литья по моделям

Опока - рама (ящик без дна) с формовочной землей для заливки металлом; деревянная или металлическая.

Рис. 2. Формовочный инструмент: 1 - вентиляционная игла; 2 - трамбовка формовочная; 3 - правильный брусок

Рис. 3. Ланцет

Подмодельная доска - деревянная или металлическая плита с гладкой поверхностью.

Резиновая пресс-форма - приспособление из резины, двух полированных стальных пластин и вулканизатора (в частной мастерской вполне пригоден автомобильный, на 12 В через трансформатор).

Пресс-шприц-самодельный шприц для заполнения под давлением модельного состава в пресс-форму.

Центрифуга ручная - приспособление для центробежного литья в индивидуальной мастерской; с помощью такого приспособления жидкий металл заполняет форму под давлением.

Материалы для формовки Формовочная земля - увлажненная смесь глины (до 25% содержания) и песка.

Графит.
Гипс.
Пемза.
Кварц.
Глюкоза (в качестве замедлителя).
Щелочи (в качестве разделителя).
Известняк (шифер).
Каолин.

Материалы для изготовления моделей

1. Пластилин, гипс, пластик, дерево. 2. Воск, парафин, стеарин; технический желатин, столярный клей. 3. Полистирол (пенопласт) - ячеистый пластик.

Литье по моделям в земляные формы

Это простейший способ получения отливок. Вкратце технология такова: по нужному шаблону (модели) из формовочной земли изготавливают форму для заливки расплавленным металлом. Форма, сделанная по тому или иному шаблону,- одноразовая: при выемке отливки она разрушается, поскольку создана из смеси песка и глины (25% содержания всмеси глины, 75% - песок). Но саму смесь для получения литейной формы можно использовать многократно, обновляя лишь внутренний облицовочный слой. Шаблон может быть изготовлен из любого материала - пластилина, гипса (наиболее приемлемые и удобные материалы), из дерева, пластмассы, металла. Моделью может служить и сама деталь; если нужно сделать такую же (восстановить ее первоначальный вид), то пластилином наращивают на реставрируемой или восстанавливаемой детали недостающие части по начальному образцу.

Если по каким-то причинам невозможно воспользоваться в качестве модели пластилиновой копией оригинала, все-таки есть выход: можно сделать гипсовый слепок с оригинала (пусть это и более трудоемкий и хлопотный способ).

Процесс получения гипсовой модели изделия таков: оригинал помещают лицом вверх на ровную плиту в раму из дерева или другого материала, при этом борта рамы должны быть выше копируемого изделия и изнутри смазаны мыльной пеной.

Гипс растворяют в обильном количестве воды до состояния жидкой сметанообразной массы. В быстром темпе оригинал тщательно покрывают слоем жидкого гипса, нанося его широкой малярной кистью, а затем заливают раму гипсовым раствором до краев. Можно ускорить или замедлить схватывание гипса: в первом случае нужна добавка 4% раствора поваренной соли, во втором - 1% раствора уксусной кислоты. Далее гипсовую форму (слепок) сушат при температуре, не превышающей 50"С, обрабатывают в контррельефе, наращивают по мере необходимости рельеф, сглаживают выступы, заделывают раковины. Перед непосредственным изготовлением модели слепок покрывают 3% раствором щелока, а еще проще - хорошо взбитой мыльной пеной, что создаст разделительный слой, и заливают жидким гипсом. Таким образом, шаблон готов, и можно приступать к его формовке.

Процесс формовки шаблона и получения готовой отливки

Опоку ставят на подмодельную доску, на которую также кладут шаблон или оригинал. Доску посыпают графитом, чтобы не прилипала облицовочная смесь, которую насыпают через сито для полного покрытия модели. Плотно заполняют опоку до краев, укладывая землю слоями и уплотняя трамбовкой, а излишек земли сглаживают специальным бруском или ровной планкой, проводя по краям опоки, и переворачивают ее; сверху ставят вторую опоку, в которой заформовывают конусные бруски - модели литника и выпора. Затем, сняв верхнюю опоку, удаляют бруски, а из нижней опоки удаляют шаблон, после чего к отверстиям, оставшимся от моделей литника и выпора, из полости шаблона прорезают узкие соединительные каналы. Опоки совмещают в прежнем положении и заливают через литник жидкий металл, который течет в полость формы, а по другому каналу, направленному к выпору, из литейной формы вытесняется воздух, форма равномерно и полностью заполняется металлом. Заданная отливка получена.

Рис. 4. Технология получения отливки простейшим способом: 1 - модель; 2 - подмодельная плита; 3 - опока; 4 - выпор; 5 -литник

Технология литья по выплавляемым моделям

В основе литейного процесса по выплавляемым моделям лежит использование легкоплавких материалов: модель отливки и ее литниковая система делается из воска, парафина или стеарина. Любой из этих легкоплавких материалов в горячем режиме заливают в пресс-форму, а после затвердения получают восковую модель и покрывают ее специальным составом. После просушивания на модели образуется огнеупорная оболочка - керамическая форма, из которой выплавляют модельный состав и получают тонкостенную литейную форму, которую после прокалки заливают расплавленным металлом.

Для получения нескольких одинаковых моделей из воска применяют эластичную форму, используя для ее изготовления столярный клей или технический желатин. Второй материал более предпочтителен как в качественном отношении, так и по срокам приготовления. Если желатин набухает за полчаса (150 г желатина на 15 мг воды при регулярном перемешивании), столярный клей замачивают водой на сутки. Желатин после некоторой добавки воды разбухает, но при нагревании обретает прежний объем. Желатиновую массу варят до состояния однородной, напоминающей по виду густую сметану, добавляют 708 мл горячей воды с пластификатором (3-4 г глицерина) и тщательно перемешивают. Чтобы полученную массу уберечь при хранении от плесени, в нее вливают полграмма антисептика - формалина или фенола. После массу остуживают до 50ºС и заливают ею образец. Чтобы эластичная форма не деформировалась после застывания, ее с тыльной стороны дополнительно укрепляют гипсом. При формовке гипсовой модели в форме из клея, ее обезжиривают, протерев тальком, и дважды задубливают 20% раствором алюминиевых квасцов.

С целью тиражирования восковых моделей для отливки одинаковых деталей, например литых украшений для ограды усадьбы, изготавливают резиновую пресс-форму.

Пресс-формы подразделяют на разъемные и разрезные. Разъемные снабжают подшипниковыми шариками, которые служат замками-фиксаторами частей формы, и укладывают их на нижней части резиновой формы так, чтобы они не препятствовали извлечению восковой модели.

В разрезной пресс-форме необходимость в подшипниковых шариках отсутствует. Из сырой резины вырезают листы по размеру металлических зажимных пластин, промывают бензином и складывают в стопы, которые наслаиваются в зависимости от размера модели. Сама прессформа состоит из двух половин, между которыми укладывается металлическая модель, резина вокруг которой натирается тальком. После этого пакет располагается на талькированной зажимной плите, накрывается второй плитой и зажимается в струбцине вулканизатора на 40-50 минут при температуре 140-150ºС. После вулканизации освобожденный пакет вместе с пластинами охлаждается под водой. Если на образце литник отсутствовал, то его вырезают прямо в пресс-форме.

Рис. 5. Изготовление резиновой пресс-формы: 1 - вулканизатор; 2 - стальные пластины; 3 - сырая резина; 4-замок (стальные шарики); 5 - образец

Резиновая пресс-форма очень удобна при изготовлении большого количества одинаковых деталей - звеньев цепи, браслета, элементов разъемного орнамента и других декоративных изделий, поскольку для их отливки требуется много восковых моделей.

Различают легкоплавкие и тугоплавкие составы для создания моделей. Первые более податливы, их изготавливают на парафиновой и стеариновой основе (см. табл. 1).

Таблица 1. Составы для создания моделей

№ рецепта	Компоненты, минимальный %
№ рецепта	Парафин	Стеарин	Воск	Переплав
1	50	50	-	-
2	25	25	50	-
3	12	8	-	80
4	17	17	-	66

В пресс-форму модельный состав запрессовывается под давлением пресс-шприца, который литейщик легко изготовит сам. Для этого необходимы отрезок трубы, 2 штуцера, поршень, алюминиевая трубка.

Способ изготовления таков. С одной стороны трубу заваривают или запаивают. Из алюминия вырезают поршень по отверстию трубы, который необходимо снабдить ручкой (стертжень при этом равен длине трубы). В заделанной части трубы сверлят отверстие, в которое впаивают штуцер под резиновый шланг, другой конец которого снабжают штуцеромнаконечником, соответствующим диаметру литника пресс-формы.

Заполненный модельным составом, пресс-шприц окунают в кипящую воду до готовности расплава, который тщательно перемешивают и охлаждают до пастообразного состояния при температуре 55-60ºС и запрессовывают в талькированную пресс-форму.

Рис. 6 Ручная центрифуга

Так же, под давлением, в пресс-форму подается и расплавленный металл.

Также литейщик может самостоятельно смастерить еще одно необходимое для работы приспособление - ручную центрифугу.

В деревянную ручку нужно пропустить стальной стержень диаметром 7 мм, к нему неподвижно прикрепить серьгу (при этом ручка должна свободно вращаться на стержне). Подставкой для опоки будет служить стальной цилиндр, дно которого составляет не более 100 мм в диаметре. К подставке приваривают скобу с кольцом посредине, которое соединяется с серьгой коромыслом (40 см) из прочной проволоки с надежными кольцами на концах. Опока должна свободно умещаться в подставке и по форме дублировать ее - тот же цилиндр, но без дна.

Формовка модели производится таким образом. Расплавленным воском к модели крепят стальные иглы - литниковые штифты, которые должны пересекаться в одной точке, где они также скрепляются воском. Исходя из размеров модели, опоку выбирают такой высоты, чтобы между ее дном и моделью был зазор не менее сантиметра, а вверху в формовочной массе можно было бы вырезать литниковую чашу для плавки металла.

Состав формовочной массы предлагаемых рецептов (см. табл.2).

Таблица 2. Составы формовочной массы

Готовой формовочной массой заполняют опоку на огнеупорном листе (асбесте). Взяв модель за штифт, ее погружают в незастывшую формовочную массу, слегка покачивая из стороны в сторону, чтобы не попадал воздух. После затвердения массы (при наличии замедлителя - не раньше, чем через час) в верхней части опоки вырезают литниковую чашу и вытаскивают штифты. Литниковые каналы должны находиться в центре чаши.

Операция выплавления (удаления) восковой модели такова: опоку ставят в зажженную духовку газовой плиты и постепенно, чтобы не повредить форму, около двух часов повышают температуру до 350°С; затем опоку вынимают и кладут поочередно одним или другим боком на горелку, предварительно подложив асбестовую плитку, и окончательно выплавляют воск.

Получение отливки

Как только бока опоки раскалятся докрасна, ее помещают в ручную центрифугу, а литниковую чашу загружают металлом с добавкой соответствующего флюса и плавят на пламени горелки. После полной расплавки начинают вращать центрифугу, в результате чего жидкий металл устремляется в полость формы, заполняя ее и кристаллизуясь приблизительно за 20 оборотов центрифуги. Процесс завершается охлаждением в воде и выемкой готовой отливки, то есть изделия художественного литья.

Наиболее совершенным методом литья по выплавляемым моделям считается процесс, в результате которого сохраняется оригинал и получают пустотелые изделия, оригинал служит моделью. Технологически этот способ состоит из двух частей: вначале изготавливают по оригиналу пустотелую модель, а затем по этой модели литейную форму.

Процесс получения отливок по выжигаемым моделям

Чтобы проследить технологию такого способа, рассмотрим конкретный пример - изготовление сложной фигурной вазы или кубка.

При отливке кубка верхнюю часть модели несложной геометрической формы изготавливают из любого материала, нижнюю, более сложную, вырезают из пенопласта. После этого, уложив верхнюю часть модели на подмодельную плиту, начинают формовку в опоке. Когда формовочная земля сравнивается с уровнем модели, к ней приставляют вторую (пенопластовую) часть и заформовывают до конца. Далее опоку переворачивают, на нее устанавливают вторую опоку и проводят окончательную формовку, сделав при этом литниковую систему. После опоки разжимают и удаляют верхнюю часть модели, а нижнюю (пенопластовую) оставляют заформованной в землю.

При использовании таких комбинированных способов получают цельные, довольно качественные сложные по форме отливки. Однако в момент формовки элемента модели могут сместиться относительно друг друга. Чтобы этого не произошло, в сочленения гипсовой формы и пенопластовых элементов вставляют швейные иглы или булавки, на которые накалывают элементы. Чтобы предотвратить осевые вращения, можно использовать несколько иголок.

Для изготовления пустотелой модели опоку устанавливают на подмодельную плиту и заформовывают в нее землей до половины оригинал изделия - выполняют так называемую фальшивую опоку.

Рис. 7. Формовка комбинированной модели: 1 - пенопластовая часть модели; 2 - гипсовая часть модели

Поверхность оригинала, имеющего небольшие размеры, смазывают мыльной пеной и обкладывают слоем пластилина толщиной до 1 см. Более крупные изделия обкладывают слоем глины. Для того чтобы глина не прилипала к оригиналу, в качестве разделительного слоя используют бумагу. На фальшивую опоку с оригиналом сверху устанавливают вторую опоку и заливают гипсом. В гипсе делают литниковые каналы, которые доходят до пластилинового или глиняного слоев. После затвердения гипса опоки переворачивают. Фальшивую опоку, оказавшуюся сверху, удаляют вместе с землей и устанавливают новую.

Рис. 8. Изготовление модели: 1 - опока; 2 - подмодельная доска; 3 - формовочная смесь; 4 - литник; 5 - выпор; 6 - дополнительные отверстия; 7 - модель

На вторую половину оригинала, ранее находившегося в фальшивой опоке, также укладывают слой пластилина или глины. Смазав нижнюю опоку, залитую гипсом, мыльной пеной, заливают гипсом верхнюю, оставив литниковые отверстия. Когда гипс затвердеет, верхнюю опоку снимают и удаляют слой пластилина или глины, следя за тем, чтобы ничего не осталось на оригинале. Затем опоку устанавливают на место.

После удаления прокладочного слоя между гипсом, залитым в опоку, и оригиналом образовалось свободное пространство, соответствующее толщине прокладочного слоя. В образовавшуюся полость через литниковые каналы, оставленные в гипсовом слое, заливают раствор на основе столярного клея или технического желатина.

Опоки переворачивают после остывания клеевого раствора, со второй опоки удаляют разделительный слой и заливают клеевым раствором. Затем опоки разнимают, и из полученной формы удаляют оригинал изделия. Благодаря эластичности клеевого раствора можно формовать изделие со сложной формой поверхности (узоры, орнаменты, шрифты и т.д.), а также имеющего пазухи, что сложно выполнить при обычном способе формовки. К тому же клеевая масса является защитой оригинала. Внутреннюю поверхность клеевой рубашки покрывают лаком, а после высыхания наносят кистью слой воска.

Форму собирают и через предварительно оставленное отверстие в ее полость заливают расплавленную канифоль, которую сразу же выливают из формы, пока она не остыла, но при этом часть ее остается на стенках. Эту операцию повторяют до тех пор, пока не будет достигнута требуемая толщина изделия. Нельзя перегревать расплав канифоли, так как могут расплавиться мелкие элементы клеевой формы.

После затвердения слоя канифоли опоки осторожно разнимают и извлекают полученную модель, представляющую собой пустотелую тонкостенную копию оригинала, которая будет служить выплавляемой моделью.

Формовку пустотелых изделий начинают с изготовления стержня. Стержнем называют часть формовочной смеси, которой заполняют полость формы. Основой стержня может служить металлический каркас, изготовленный из проволоки, диаметр которой зависит от размеров модели. Основой каркаса является более толстый стержень, конец которого выходит из модели. После изготовления каркаса его вводят в полость модели и заполняют формовочной массой. В качестве стержневой, а также формовочной массы для небольших изделий, отливаемых из металлов с невысокой температурой плавления, можно использовать массу на основе гипса и талька или гипса и кварца. В случае применения масс на основе гипса следует помнить, что в этих массах практически отсутствует газопроницаемость, поэтому в процессе формовки нужно сделать дополнительные отверстия для выхода газов, образующихся в момент выплавки модели.

Если выполняется отливка из бронзы, латуни или других металлов с высокой температурой плавления, в качестве стержневой массы используют кварц, кварцевый песок с добавлением конторского силикатного клея. Песок прокаливают при температуре.750-900°С в чугунной емкости, например в сковороде, чтобы в него не попали окислы железа. Жидкого стекла в смеси должно содержаться в пределах 30%, остальное составляет песок.

При отливке больших изделий в формовочную смесь добавляют 1-2% технической буры или борной кислоты, которые, имея собственную температуру плавления 741°С и 575°С соответственно, в момент прокаливания формы плавятся и, обволакивая зерна наполнителя, скрепляют формовочную массу.

Выплавленную модель со стержнем формуют в опоку обычным способом. Модель из канифоли выплавляют в сушильном шкафу, постепенно повышая температуру. Опоку располагают литниковой системой вниз. Через нее будет выходить расплавленная канифоль, поэтому под выходом литниковой системы необходимо поставить емкость. В этом случае стенки формы укрепятся расплавленными частицами канифоли. Когда канифоль полностью стечет, форму прокаливают в муфельной печи. Если ее нет, то это можно проделать в духовке газовой плиты при температуре 350°С, поскольку канифоль начинает обугливаться при температуре 310°С. Образующаяся копоть от сгоревшей канифоли покрывает стенки формы, что улучшает качество отливки.

Целесообразно использовать опоку с дном, модель заформовать обычной формовочной смесью, а верхний слой, не соприкасающийся с моделью, сделать из смеси кварцевого песка или шамотной крошки с жидким стеклом. В момент выплавки модели он будет удерживать всю форму в опоке. Металл, подающийся в форму через литниковую систему, заполнит ее за счет давления собственной массы.

Если пустотелая модель имеет одно отверстие, через которое выходит арматура стержня, после выплавки ее стержень теряет опору и оседает внутри формы.

Чтобы зафиксировать его в нужном положении при изготовлении отливок больших размеров или при отливке изделий, имеющих не просматриваемые места (например, вазы), основной стержень с закрепленной на нем арматурой пропускают через модель насквозь и опирают двумя концами на края опоки, придавая ему строго фиксированное положение.

Оставшиеся после отливки изделия и удаления арматуры отверстия заделывают или в том месте модели, которое находится снизу и как бы опирается на формовочную смесь, сверлят одно или несколько отверстий. Затем изготавливают пробки из металла, из которого будет отливаться изделие. Размер должен соответствовать диаметру отверстий в толще модели. Пробки вставляют в отверстие модели и формуют ее.

Имея такую же толщину, как и модель, металлическая пробка после выплавки модели остается в форме и фиксирует расстояние между стержнем и ее краем. После заливки пробки сплавляются с основным металлом, и от них не остается никаких следов.

Площадь поперечного сечения пробок должна быть такой, чтобы они выдержали массу стержня и не вдавились в формовочную смесь. Следует учесть, что при выплавке модели форму переворачивают, поэтому пробки необходимо ставить и в верхней ее части. В качестве фиксаторов можно также использовать стальные стержни, которые пропускают через всю форму (модель и формовочную смесь). После отливки стержни извлекают, а в образовавшихся отверстиях нарезают резьбу и вкручивают резьбовые пробки. Иногда отверстия раззенковывают и заглушают с помощью заклепок из того же металла - металлических шпилек. Затем эти места тщательно зачищают или зачеканивают.

Оригиналы художественных изделий с относительно плоской поверхностью (медальоны, барельефы) выполняют обычно из мягких материалов - пластилина, глины, воска. Для формовки с них снимают гипсовые модели, при этом обратная сторона модели получается плоской и не повторяет изнутри форму лицевой поверхности. Выполненная по такой модели отливка имеет значительную массу, что нецелесообразно, так как расходуется большое количество металла. Чтобы этого избежать, применяют способ формовки по гипсовой модели с рамкой. В этом случае получают отливку, у которой внутренний рельеф повторяет форму лицевой поверхности, а толщина стенки соответствует толщине рамки и одинаковая по всей поверхности изделия. Формовку с рамкой применяют при изготовлении литейных форм по гипсовым моделям небольшой высоты и с пологими стенками.

Если гипсовая модель имеет высокие вертикальные стенки с малым уклоном, то данный способ применять нежелательно, потому что при формовке вертикальные стенки получаются значительно тоньше верхней, и металл при заливке может заполнить не всю форму, а только верхнюю ее часть.

При формовке с рамкой модель необходимо зафиксировать на подмодельной плите, в качестве которой можно использовать кусок древесностружечной плиты с несколькими просверленными отверстиями. Через них модель крепят шурупами, а в плите также делают отверстия для фиксирующих штырей нижней опоки.

Укрепив модель на плите и установив на нее опоку с подложенной под края рамкой, начинают набивать ее формовочной смесью, тщательно ее утрамбовывая. Толщина рамки будет соответствовать толщине стенок будущей отливки. Заформо-ванную опоку переворачивают вместе с подмодельной плитой и, слегка постукивая по поверхности плиты, аккуратно снимают ее с опоки вместе с рамкой.

После снятия рамки выше опоки образуется выступ из формовочной смеси, который необходимо срезать по всей поверхности опоки до уровня ее края. Таким способом получают отпечаток платформы меньшей высоты модели на толщину рамки, подкладываемой под опоку, и соответствующей толщине стенки будущей отливки. Затем на заформованную опоку устанавливают вторую, и по отпечатку в нижней части набивают верхнюю полуформу с литниковым каналом и выпором.

Верхнюю опоку формуют более тщательно и аккуратно, так как непрочную поверхность песчаной модели можно легко повредить при уплотнении смеси трамбовкой.

Удалив литник, верхнюю опоку снимают и при необходимости исправляют форму. Заформованную нижнюю опоку с рамкой, служившей моделью для верхней полуформы, выбивают и с помощью фиксирующих штырей устанавливают снова на под-модельную плиту в том же положении, в котором она находилась первоначально. Затем набивают ее формовочной смесью, но уже без рамки. После окончания формовки опоку переворачивают, снимают подмодельную плитку с моделью, а обе полуформы собирают. Таким способом получают полость, соответствующую толщине рамки.

Рис. 9. Литейная форма из глины: 1 - литник; 2 - фиксаторы; 3 - форма; 4 - выпоры

Кроме основных способов литья в землю и по выплавляемым моделям, в старину мастера применяли литье в твердые разборные формы. Этим способом отливали ювелирные изделия, пуговицы, декоративные накладки для оружия. Материалом для форм служила глина и мягкие породы известняка. Изготовленные вручную формы из глины состояли из 2-х половин с углублениями для фиксации их относительно друг друга. Полость формы выполняли вручную или формовали по образцу из сырой глины, затем высушивали и обжигали.

Рис. 10. Стяжка литейной формы из глины: 1 - стягивающий винт; 2 - хомут; 3 - форма

Для изготовления таких форм можно использовать огнеупорную шамотную глину или тигельную массу. Шамотный наполнитель для этих масс при выполнении литейных форм должен быть тонкого помола. Нужно помнить, что шамотная глина при высыхании дает значительную усадку - от 7 до 14%. Обжигают глиняную форму в муфельной печи при температуре 900°С, а затем скрепляют две полуформы между собой хомутами, изготовленными из стальной полосы и соединенными с помощью винтов и гаек.

Принцип изготовления литейных форм из известняка такой же, как и из глины. Разница лишь в том, что полость формы набивается резцами. Используя для литейных форм одну из разновидностей известняка - шифер, имеющий плотную структуру и хорошо поддающийся обработке, старинные мастера с помощью гравировки выполняли сложные формы и получали высокохудожественные произведения. В качестве материала для таких форм можно использовать пластины из тигельного графита или графитовых электродов для электроплавильных печей, так как графит хорошо поддаётся обработке резанием. В заготовленных пластинах необходимого размера прилегающие поверхности зачищают мелкой наждачной бумагой, а затем притирают одну к другой. В двух точках пластин просверливают сквозные отверстия, через которые их стягивают болтами и гайками. Отверстия сверлят в тех местах, где они не будут мешать изготовлению формы и литников. После подготовительных операций приступают непосредственно к изготовлению (вырезка и гравировка) литейной формы и литниковой системы.

Перед заливкой металла графитовую форму изнутри необходимо покрыть тонким слоем каолина или мела, разведенных в воде и с добавлением столярного клея, чтобы предохранить ее от выгорания.

После извлечения отливки из формы она обычно имеет некрасивый вид- с пригаром частичек формовочной смеси, всевозможными цветами побежалости и т.д. В этом случае механические загрязнения удаляют с помощью стальной щетки, а затем изделие отбеливают в кислотах и щелочах.

Медь, бронзу, латунь и мельхиор обычно обрабатывают в два приема: сначала выполняют предварительное травление, а потом окончательное или глянцевое. Состав раствора для предварительного травления следующий: азотной и серной кислот - соответственно по 250 мл, натрия хлористого - 0,5 г. Время обработки - 4-5 сек, температура раствора - 20-25°С. Для окончательного травления используют такой раствор: азотной и серной кислот - по 250 мл, соляной кислоты - 5 мл, голландской сажи -1-1,5 г. В этот раствор изделия погружают на 6-8 секунд, затем быстро промывают в воде.

Свинец травят 5 -10% азотной кислотой, цинк и кадмий - 5-20% соляной кислотой, а алюминий - 10-20% раствором едкого натра.

В приведенных составах растворов применяются концентрированные кислоты. Следует помнить, что работа с ними требует особой осторожности, готовить их необходимо под вытяжкой или на улице.

В заключение раздела о художественном литье в условиях индивидуальной мастерской будет полезно познакомить нашего читателя с конкретным человеком, настоящим мастером своего дела, литейщиком-художником Сергеем Поповым и его технологиями, практическими советами.

Уроженец города Борисоглебска Воронежской области, после окончания школы отправился в Подмосковье, где учился в Абрамцевском художественно-промышленном училище имени Васнецова и там же преподавал по специальности "Художественная обработка камни".

Занимался ковкой, тянуло к литейным произведениям.

Сверлильный станок

Заточный станок 2-х сторонний

Станок шлифовально-полировальный.

Рис. 19. Ваза

Бормашина
Стол для ручной обработки моделей
Паяльник
Пескоструйный аппарат

Формовка восковых изделий

Состав модельной смеси. Смесь воска и парафина, нагретая до 60ºС, взбивается дрелью для насыщения воздухом, затем при помощи специального шприца закачивается в гипсовые разъемные формы. После остывания форма разнимается и из нее извлекается модель. Затем модель обрабатывается. Снимается облой, напаивается паяльником питатель и обмазывается модель.

Обмазка

Для обмазки применяется суспензия, изготавливаемая из этилсиликата, воды и маршалита путем длительного перемешивания составляющих В приготовленную суспензию обмакивается модель, которая затем обсыпается шамотным песком.

После просушки наносятся 5-6 слоев обмазки с интервалом в 2-3 часа.

Для первой-второй обмазки используется более мелкий песок - 0,5 мм зерно, для последующих обмазок - 1-1,5 мм.

После обмазки 5-6 слоями и достаточной просушки модель выплавляется в ванне вытопки при температуре 130ºС.

Заливка

Вытопленные корки прокаливаются до температуры 400-500ºС и в горячие корки заливается металл (латунь, бронза). После кристаллизации бронзы корка аккуратно отбивается.

Питатели отпиливаются. Отлитое изделие очищается от прикипевшей корки струей песка.

Слесарная обработка

Ведется с использованием абразивов различной зернистости. После снятия поверхностного слоя и остатков литников можно приступить к шлифовке, которая производится с помощью резиновых кругов (парапитовых).

Для полировки используются войлочные и тряпочные круги и паста ГОИ.

При слесарной обработке изделий со сложным рельефом, при котором радиус камня не позволяет добраться до многих участков изделия, используется обычная зуботехническая бормашина и металлические и твердоплавкие боры, а также мелкие* абразивы.

Литье в корку имеет ограниченные возможности в размерах, зависит от массы, толщины модели. Поэтому крупные или объемные работы приходится разбивать на мелкие фрагменты, например, подсвечник может состоять из 15-17 деталей (подставка, дужки и т.д.). Все это монтируется на основании при помощи центрального стержня.

В других работах могут быть использованы заклепки, скрутки, различные крепления. В некоторых случаях используется газовая или аргонная сварка.

Литье в корку имеет некоторые особенности, например, ограничено размерами, которые, в свою очередь, определяются возможностью модели.

Перед разливом бронзу необходимо раскислить, добавить фосфоросодержащий сплав. Латунь льется без добавок.

Модельная масса должна быть насыщена воздухом, т.е. содержать воздушные пузырьки, иначе парафиновая модель при вытопке разорвет корку вследствие расширения.

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) - это промышленный процесс, который также называется литьем по восковым моделям или литьем в разрушаемую форму. Форма разрушается, когда изделие извлекается. Выплавляемые модели широко используются как в машиностроительном, так и в художественном литье.

Область применения

Особенности техпроцесса позволяют применять метод ЛВМ в широком диапазоне: от крупных предприятий до небольших мастерских. Также возможно литье по выплавляемым моделям в домашних условиях, в личных и коммерческих целях для изготовления детализированных фигурок, сувениров, игрушек, деталей конструкций, ювелирных изделий. В качестве наполнителя можно использовать практически все металлы:

стали (легированные и углеродистые);
цветные сплавы;
чугун;
сплавы, не поддающиеся мехобработке.

Впрочем, технология универсальна - вполне можно изготовить относительно крупные конструкции сложных форм. Для облегчения техпроцесса используют специализированное оборудование для литья по выплавляемым моделям и 3D-моделирование с помощью специализированных программ.

Литье в керамические формы

В зависимости от требований к изделиям используют различные, наиболее подходящие технологии. Точное литье по выплавляемым моделям (ТЛВМ) позволяет получать самые сложные по конфигурации отливки с высокой точностью, с минимальной толщиной стенок и шероховатостью поверхности. Для ТЛВМ восковая модель погружена в жидкую смесь на основе керамики. Керамическая смесь сохнет и формирует оболочку формы для литья. Этот процесс повторяется, пока желаемая толщина не будет достигнута. Затем воск удаляется в автоклаве. Однако этот метод характеризуется высокой стоимостью, продолжительностью технологического процесса, выделением вредных веществ в производственной зоне и загрязнением окружающей среды остатками керамических форм.

Литье в формы из ХТС

Во многих случаях при изготовлении поделок на дому к отливкам сложной конфигурации не предъявляется требование низкой шероховатости, а для ряда художественных отливок поверхность с равномерной шероховатостью не только допустима, но является дизайнерским решением. В этом случае целесообразно применять литье по выплавляемым моделям.

Технология, разработанная для изделий, не требующих гладких поверхностей, достаточно проста. Такую поверхность можно получить литьем в формы из холодно-твердеющих смесей (ХТС). Этот процесс значительно проще, дешевле и экологически чище.

Однако данный метод литья по выплавляемым моделям не позволяет получать сложные отливки с использованием выплавляемых моделей. Это объясняется тем, что при вытопке фигур значительная часть модельного состава остается в полости формы и может быть удалена только прокалкой. Прокалка, то есть нагрев до температуры воспламенения, модельного состава приводит к деструкции смоляного связующего вещества ХТС. При заливке металла в форму с остатками модельного состава происходит их сгорание, приводящее к выбросам металла из формы.

Использование жидкостекольных смесей

Нивелировать недостатки ХТС-технологии при изготовлении некоторых типов отливок позволяет литье по выплавляемым моделям в жидкостекольные смеси с жидким катализатором (ЖСС ЖК). Эти смеси с содержанием жидкого стекла в количестве 3-3,5 % и катализатора около 0,3 % от массы песчаной основы начали применяться за рубежом в начале 80-х и используются до сих пор. По данным исследований, эти смеси в отличие от ЖСС первого поколения отличаются экологической чистотой, хорошей выбиваемостью и незначительным пригаром на отливках.

Литье по выплавляемым моделям: технология

Процесс ЛВМ включает в себя операции подготовки модельных составов, изготовления моделей отливок и литниковых систем, отделки и контроля размеров моделей, дальнейшей сборки в блоки. Модели, как правило, изготавливают из материалов, представляющих собой многокомпонентные композиции, комбинации восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски и т.д.).

При изготовлении модельных составов используется до 90 % возврата, собираемого при выплавлении восковых моделей из форм. Возврат модельного состава следует не только освежать, но и периодически регенерировать.

Изготовление моделей состоит из шести этапов:

подготовки пресс-формы;
введения в ее полости модельного состава;
выдержки модели до затвердевания;
разборки формы и извлечения модели;
охлаждения ее до комнатной температуры.

Особенности техпроцесса

Сущность ЛВМ заключается в том, что силиконовая или восковая модель выплавляется из заготовки путем нагревания, а освободившееся пространство заполняют металлом (сплавом). Техпроцесс имеет ряд особенностей:

При изготовлении формовочной смеси широко используют суспензии, состоящие из огнеупорных мелкозернистых материалов, скрепляемых связующим раствором.
Для заливки металлов (сплавов) применяют неразъемные формы, получаемые путем нанесения на модель огнеупорного покрытия, его сушки с дальнейшим вытапливанием модели и прокаливанием формы.
Для отливок используются одноразовые модели, так как они разрушаются в процессе изготовления форм.
Благодаря мелкозернистым огнеупорным пылевидным материалам обеспечивается достаточно высокое качество поверхности отливок.

Преимущества ЛВМ

Преимущества литья по выплавляемым моделям очевидны:

Универсальность. Можно использовать любые металлы и сплавы для литья изделий.
Получение конфигураций любой сложности.
Высокая чистота поверхностей и точность изготовления. Это позволяет на 80-100 % сократить последующую дорогостоящую металлообработку.

Недостатки ЛВМ

Несмотря на удобство, универсальность и достойное качество изделий, не всегда целесообразно применять литье по выплавляемым моделям. Недостатки главным образом связаны со следующими факторами:

Длительностью и сложностью техпроцесса производства отливок.
Завышенной стоимостью формовочного материала.
Большой нагрузкой на экологию.

Пример изготовления изделия на дому: подготовительный этап

Литье по выплавляемым моделям в домашних условиях не потребует глубоких знаний в металлургии. Для начала подготовим модель, которую хотим повторить в металле. В качестве макета сойдет готовое изделие. Также фигурку можно изготовить самостоятельно из глины, скульптурного пластилина, дерева, пластика и других плотных пластичных материалов.

Устанавливаем модель внутри скрепленной струбцинами либо кожухом разборной емкости. Удобно использовать прозрачную пластиковую коробку или специальную пресс-форму. Для заливки пресс-формы воспользуемся силиконом: он обеспечит отличную детализацию, проникая в мельчайшие трещинки, отверстия, впадины и формирует очень гладкую поверхность.

Второй этап: заливка силиконом

Если требуется точное литье по выплавляемым моделям, для изготовления формы без жидкой резины не обойтись. Силикон готовится по инструкции путем смешивания разных компонентов (как правило, двух) и последующего нагревания. Для удаления мельчайших пузырьков воздуха емкость с жидкой резиной целесообразно на 3-4 минуты поместить в специальный портативный вакуумный аппарат.

Заливаем готовую жидкую резину в емкость с моделью и повторно проводим вакуумирование. Для последующего затвердения силикона потребуется время (согласно инструкции). Используемые полупрозрачные материалы (емкостей и самого силикона) позволяют воочию наблюдать процесс формирования пресс-формы.

Извлекаем схватившуюся резину с моделью внутри из емкости. Для этого освобождаем струбцины (кожух) и отделяем две половинки коробки - силикон легко отходит от гладких стенок. Для полного застывания жидкой резины потребуется 40-60 минут.

Третий этап: изготовление восковой модели

Литье по выплавляемым моделям предполагает вытапливание плавкого материала и замещение образовавшегося пространства расплавленным металлом. Так как воск легко плавится, его и используем. То есть следующая задача - сделать восковую копию использованной первоначально модели. Для этого и потребовалось создание резиновой пресс-формы.

Аккуратно разрезаем силиконовую заготовку вдоль и достаем модель. Здесь есть небольшой секрет: чтобы впоследствии точно соединить форму, разрез рекомендуется делать не гладким, а зигзагообразный. Прикладываемые части формы не будут сдвигаться по плоскости.

Заполняем образовавшееся пространство в силиконовой пресс-форме жидким воском. Если изделие готовится для себя и не требует высокой точности сопряжения деталей, можно залить воск отдельно в каждую половину, а затем после застывания соединить две детали. Если необходимо точно повторить силуэт модели, резиновые половинки соединяются, закрепляются и в образовавшуюся пустоту с помощью инжектора закачивается горячий воск. Когда он заполнит все пространство и застынет, разбираем силиконовую пресс-форму, достаем восковую модель и подправляем изъяны. Она послужит прототипом для готового изделия из металла.

Четвертый этап: формование

Теперь необходимо сформировать с внешней поверхности восковой фигуры термостойкий прочный слой, который после вытапливания воска станет формой для металлического сплава. Выберем способ литья по выплавляемым моделям с использованием кристобалитовой смеси (модификация кварца).

Формируем модель в металлической цилиндрической опоке (приспособлении, удерживающем формовочную смесь при ее уплотнении). Устанавливаем в опоку припаянную модель с литниковой системой и заливаем смесь на основе кристобалита. Чтобы вытеснить воздушные карманы, помещаем в вибровакуумный аппарат.

Финальный этап

Когда смесь уплотнится, остается выплавить воск и залить в освободившееся пространство металл. Процесс литья по выплавляемым моделям в домашних условиях лучше осуществлять с использованием сплавов, плавящихся при относительно невысоких температурах. Отлично подойдет литейный силумин (кремний + алюминий). Материал износостойкий и твердый, однако отличается хрупкостью.

После заливки расплавленного силумина ждем, когда он застынет. Затем извлекаем изделие из окопки, удаляем литник и очищаем от остатков формовочной смеси. Перед нами - практически готовая деталь (игрушка, сувенир). Дополнительно ее можно отшлифовать и отполировать. Если в канавках намертво застряли остатки литейного производства, их нужно удалить бормашиной или другим инструментом.

Литье по выплавляемым моделям: производство

Немного иначе проводится ЛВМ для изготовления ответственных деталей, имеющих сложную форму и (или) тонкие стенки. На отливку готового металлического изделия может уйти от недели до месяца.

Первый шаг - заполнить воском форму. На предприятиях для этого часто применяют алюминиевую изложницу (аналог рассматриваемой выше силиконовой пресс-формы) - полость, имеющую форму детали. На выходе получают восковую модель чуть больших размеров, чем конечная деталь.

Далее модель послужит основой для керамической пресс-формы. Она также должна быть чуть больше итоговой детали, так как металл после остывания сожмется. Затем, используя горячий паяльник, к восковой модели припаивают специальную литниковую систему (также из воска), по которой раскаленный металл польется в полости формы.

Изготовление керамической пресс-формы

Далее восковую конструкцию опускают в жидкий керамический раствор, называемый шликером. Делается это вручную, дабы избежать дефектов в отливке. Для прочности шликера керамический слой укрепляют напылением мелкого циркониевого песка. Только после этого заготовку «доверяют» автоматике: специальные механизмы продолжают поэтапный процесс напыления более крупного песка. Работы продолжаются, пока керамо-песчаный прочный слой не достигнет заданной толщины (как правило, 7 мм). На автоматизированных производствах на это уходит 5 дней.

Литье

Теперь заготовка готова для выплавления воска из пресс-формы. Ее помещают на 10 минут в автоклав, заполненный горячим паром. Воск растапливается и из оболочки полностью вытекает. На выходе получаем керамическую форму, полностью повторяющую форму детали.

Когда керамо-песчаная форма затвердеет, проводят литье металлов по выплавляемым моделям. Предварительно форму нагревают 2-3 часа в печи, дабы она не потрескалась при заливке раскаленных до 1200 ˚C металлов (сплавов).

В полость формы поступает расплавленный металл, который в дальнейшем оставляют остывать и твердеть постепенно, при комнатной температуре. Для остывания алюминия и его сплавов требуется 2 часа, для сталей (чугуна) - 4-5 часов.

Финишная обработка

Собственно литье по выплавляемым моделям на этом заканчивается. После застывания металла заготовку помещают в специальную вибромашину. От щадящей вибрации керамическая основа растрескивается и осыпается, металлическое же изделие своей формы не меняет. В дальнейшем проходит окончательная обработка металлической заготовки. Вначале отпиливают систему заливки металла, а место ее контакта с основной деталью тщательно шлифуют.

В завершение контролеры проверяют, чтобы размеры изделия соответствовали заданным на чертеже. Алюминиевые детали измеряют холодными (при комнатной температуре), стальные предварительно нагревают в печи. Специалисты используют для контрольно-измерительных работ различные инструменты: от простых шаблонов до сложных электронных и оптических систем. Если выявляется несоответствие параметрам, деталь либо направляют на доработку (исправимый брак), либо на переплавку (неустранимый брак).

Литниковая система

Конструкция литниково-питающей системы играет в ЛВМ ведущую роль. Это связано с тем, что она выполняет три функции:

При изготовлении оболочек литейных форм и блока моделей литниковые системы являются несущими конструкциями, удерживающими на себе оболочку и модели.
Через систему каналов литника жидкий металл при заливке подводится к отливке.
При затвердевании система выполняет функцию прибыли (питающего элемента, компенсирующего усадку металла).

Оболочка отливки

В процессе ЛВМ ключевым является создание слоев оболочки формы. Процесс изготовления оболочки состоит в следующем. На поверхность блока моделей, чаще всего окунанием, наносят сплошную тонкую пленку суспензии, которую далее обсыпают песком. Суспензия, налипая на поверхность модели, точно воспроизводит ее форму, а песок обсыпки внедряется в суспензию, смачивается ею и фиксирует состав в виде тонкого облицовочного (первого или рабочего) слоя. Образуемая кварцевым песком нерабочая шероховатая поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению последующих слоев суспензии с предыдущими.

Важными показателями, определяющими прочность формы, являются вязкость и жидкотекучесть суспензии. Вязкость можно регулировать введением определенного количества наполнителя (наполненностью). При этом с увеличением наполненности состава толщина прослоек связующего раствора между частицами порошка уменьшается, снижается усадка и вызываемые ею негативные эффекты, а также повышаются прочностные свойства оболочки формы.

Используемые материалы

Материалы для изготовления оболочки подразделяются на следующие группы: материалы основы, связующие, растворители и добавки. К первым относятся пылевидные, применяемые для приготовления суспензий, и пески, предназначенные для ее обсыпки. Ими служат кварц, шамот, циркон, магнезит, высокоглиноземистый шамот, электрокорунд, хромомагнезит и другие. Широко используется кварц. Некоторые материалы основы оболочки получают в готовом к употреблению виде, а другие предварительно сушат, прокаливают, размалывают, просеивают. Существенным недостатком кварца являются его полиморфные превращения, которые протекают при изменении температуры и сопровождаются резким изменением объема, в итоге приводящим к растрескиванию и разрушению оболочки.

Плавный подогрев форм с целью снижения вероятности растрескивания, который проводят в опорном наполнителе, способствует увеличению длительности технологического процесса и дополнительным энергетическим затратам. Одним из вариантов снижения растрескивания в ходе прокаливания является замена пылевидного кварцевого песка как наполнителя на диспергированный кварцевый песок полифракционного состава. При этом улучшаются реологические свойства суспензии, повышается трещиноустойчивость форм и снижается брак по засорам и пробою оболочек.

Вывод

Метод ЛВМ получил широчайшее распространение. Его применяют для получения сложных деталей в машиностроении, при производстве оружия, сантехники, сувенирной продукции. Для изготовления украшений из драгоценных металлов используют ювелирное литье по выплавляемым моделям.

Для изготовления отливок разнообразных деталей и их элементов на современных литейных предприятиях используются полупостоянные и разовые литейные формы. В соответствии с условиями технологии литейного процесса, для изготовления таких литейных форм используются специальные смеси для литья, представляющие собой сочетание высокоогнеупорных веществ (асбест, шамот) с песчано-глинистыми составляющими. Компоненты, входящие в составы для литья, могут быть как природного, так и искусственного происхождения (синтетические). В результате смешения составляющих формовочных смесей в определенных пропорциях, готовые составы могут обладать заранее заданными свойствами и иметь нужную податливость, огнеупорность, прочность, формуемость, газопроницаемость и так далее.

Виды смесей

Формовочные смеси для литья в зависимости от характера использования делятся на несколько основных категорий:

Облицовочные смеси. Данный вид формовочных смесей предназначен для изготовления рабочего слоя литейной формы. Высокие физические и механические свойства таких смесей обеспечиваются повышенным процентом содержания исходных материалов для формовки (песка и глины);
Наполнительные смеси для литья. Данные формовочные составы для литья используются для наполнения формы, после того, как на модель была нанесена облицовочная смесь. Для приготовления такой смеси исходные формовочные материалы (глина и песок) перерабатываются совместно с остатками оборотной смеси;
Единая формовочная смесь для литья. Смесь такого типа представляет собой формовочный материал, объединяющий в себе свойства одновременно и наполнительной, и облицовочной смеси. Единые смеси используются на автоматических линиях в серийном и массовом изготовлении при машинной формовке. Долговечность таких смесей обеспечивается присутствием в составе глин с высокой связующей способностью и наиболее огнеупорных видов песков.

Состав формовочной смеси для литья

Химический состав, который может иметь формовочная смесь для литья, зависит от совокупности следующих факторов:

От рода используемого сплава и размеров отливки;
От способа формовки и вида литья (цветное литье, стальное или чугунное);
От характера производства и имеющихся в распоряжении производства технологических средств.

Также состав, который имеет формовочная смесь для литья, может различаться в зависимости от того, в каком состоянии она должна находиться перед заливкой. Формовочные смеси для сухих форм содержат в своем составе повышенное количество воды и глины. Кроме того, в состав таких смесей могут дополнительно вводиться такие выгорающие добавки, как торф или опилки. В составе формовочных смесей для сырых форм снижается процентное содержание оборотной смеси. Формовочные составы для литья металлов в подсушенные формы отличаются одновременным наличием и оборотных компонентов, и свежих материалов (глины и песка), и крепителей.

Формовочные смеси. Для изготовления форм и стержней применяются разнообразные формовочные и стержневые смеси, состав которых зависит от способа формовки, рода сплава, характера производства, вида литья и технологических средств и материалов, имеющихся в распоряжении производства.

В зависимости от использования песчано-глинистые формовочные смеси классифицируются следующим образом:

по применению при формовке (облицовочные, наполнительные и единые);
по состоянию формы перед заливкой (для сырых, сухих, подсушиваемых и химически затвердевающих форм);
по роду заливаемого в форму сплава (для чугунного, стального и цветного литья).

Облицовочная смесь используется для облицовки рабочей поверхности форм. Толщина облицовочного слоя зависит от состава облицовочной смеси и от размеров отливки (от 20 до 100 мм и выше). Поверх облицовочной смеси в опоки засыпается наполнительная смесь, которая изготовляется из оборотной земли с добавлением 5-10% свежих материалов (песка, глины).

Единая смесь служит для набивки всего объема формы и применяется для изготовления мелкого и среднего литья в условиях серийного и массового производства. Единая смесь отличается от наполнительной смеси большим содержанием свежих материалов и некоторого количества специальных добавок (молотого угля, торфяного пека и др.).

Смеси для сухих форм отличаются от смесей для сырых форм меньшим содержанием оборотной смеси и увеличенным процентом содержания глины и воды. Часто формы, подвергающиеся сушке, изготовляются из облицовочной и наполнительной смесей, а для увеличения их податливости в смесь вводят выгорающие добавки (опилки, торф и др.).

Смеси для подсушиваемых форм имеют в своем составе оборотную смесь, свежие материалы (песок и глину) и крепители (СП, СБ). В качестве облицовочных смесей они нашли широкое применение при изготовлении чугунных средних и крупных ответственных отливок. В зависимости от веса отливки, для которой изготовляется форма, время подсушивания составляет 20-60 мин. На московском чугунолитейном заводе «Станколит» для получения отливок весом до 1000 кГ применяют смеси, подсушиваемые в течение 30 мин.

Состав смеси, подсушиваемой в течение 30 мин (в % по объему)

Песок луховицкий 1К315А (ГОСТ2138-56) 88-89

Формовочная глина ФВ-1 1-2

Опилки древесные 5

Асбестовая крошка 5

Крепитель СБ (сверх 100%) 1,5

Сульфитно-спиртовая барда (сверх 100%) 2-3

При подсушке форм на рабочих поверхностях образуется прочный, твердый слой, оказывающий влияние на получение у отливок чистой поверхности и повышенной точности.

Смеси для химически-затвердевающих форм изготовляют из кварцевого песка с добавлением 4,5-6,5% жидкого стекла и 1,5% едкого натра с концентрацией 10-20%. Добавление к смеси едкого натра (см. стр. 25) позволяет сохранить технологические свойства на более длительное время, а также повысить прочность смеси после химического затвердевания. Для чугунных отливок весом от 1000 до 5000 кГ на заводе «Станколит» применяют химически затвердевающую смесь следующего состава.

Состав химически затвердевающей смеси (в % к объему)

Песок луховицкий 1К315А (ГОСТ 2138-56) 88-89

Формовочная глина ФВ-1 3-4

Уголь молотый ГК 8

Жидкое стекло (сверх 100%) с модулем, равным 2,6-2,7 6

15%-ный раствор едкого натра (плотность 1300 кГ/м 3) 075-1,0

Жидкостекольные смеси затвердевают при продувке их углекислым газом (СО 2). При этом происходит разложение силиката натрия и образование углекислого натрия и кремнезема. Кремнезем, присоединяя к себе воду, образует химическое вещество, называемое гелем кремниевой кислоты.

Гель кремниевой кислоты, обволакивающий зерна песка в смеси, обладает способностью упрочняться при потере части присоединенной воды. В силу этого пленки геля, находясь между зернами песка, по истечении небольшого промежутка времени без подвода тепла связывают их в прочную и сухую массу. При продувке жидкостекольной смеси углекислым газом длительный тепловой цикл испарения влаги и затвердевания смеси заменяется ускоренным процессом химического связывания воды с составляющими элементами жидкого стекла.

В настоящее время широкое распространение получают самозатвердевающие облицовочные смеси. Областью применения этих смесей является производство средних и крупных отливок.

Готовую самотвердеющую смесь засыпают на модель. При изготовлении форм для крупных отливок модель облицовывают смесью и частично уплотняют.

После засыпки наполнительной смеси производят ее машинное уплотнение. Наполнительная смесь при изготовлении крупных форм уплотняется пескометом с возможной последующей подпрессовкой трамбовками. После набивки формы «самозатвердевают» на плацу или на конвейере.

Облицовочный слой формы из самотвердеющей смеси обладает высокой прочностью и газопроницаемостью, что обеспечивает получение отливок высокого качества.

Красят такие формы самовысыхающими противопригарными красками.

В табл. 7 приведены типовые составы формовочных смесей.

Главная > Команда