Литье во временные земляные формы

Литье в земляные формы — один из древних способов, не утра­тивший своего значения и теперь. Процесс получения отливки этим способом заключается в том, что по модели, которая представляет собой копию авторского оригинала (или по шаблону), из формовоч­ной земли (смесь глины с песком) изготовляют литейную форму, которую и заливают расплавленным металлом. При извлечении го­товой отливки из формы она разрушается, и для каждой следую­щей отливки форму изготовляют вновь, т. е. каждая форма слу­жит только один раз. В зависимости от требований формы могут быть залиты чугуном, бронзой, алюминием, серебром и другими сплавами.

Цех, в котором производят литье, называют литейным; он имеет несколько отделений: отделение приготовления формовочных сме­сей для форм; формовочное отделение—изготовление форм; стержневое отделение — изготовление стержней для отливки пу­стотелых изделий; плавильное отделение — плавка металла; отделе­ние выбивки и очистки изделий.

Формовочные материалы. Основным материалом для литейных форм служат формовочные смеси, содержащие песок и глину. В зависимости от содержания глины, формовочные материалы де­лят на различные сорта формовочных смесей. Содержание глины составляет от 2 до 50%. Для отливки художественных изделий про­цент содержания глины составляет от 12 до 25%. Смеси для круп­ных и сложных отливок обычно содержат много глины — до 25%; для более простого мелкого литья— 12—15%.

Свойства формовочных смесей. Качество художест­венной отливки во многом зависит от качества формовочных сме­сей. Формовочные смеси должны иметь следующие свойства: прочность, пластичность, газопроницаемость, огнеупорность, подат­ливость, однородный состав и малую теплопроводность, долговеч­ность.

Прочность,или крепость,формовочной смеси зависит от про­центного содержания глины — чем больше глины, чем равномернее и толще ее слой на каждом зерне песка, составляющем смесь, чем шероховатее зерна песка, тем лучше они удерживаются друг около друга. Способность формовочной смеси не разрушаться от толчков в процессе приготовления формы, при переноске ее и особенно при заливке металлом называется прочностью.

Пластичность — свойство формовочной смеси принимать во влажном состоянии отпечаток модели со всеми ее мельчайшими подробностями и сохранять его во время заливки формы, Пластич­ность тем больше, чем мельче зерна песка и чем больше содержа­ние глины. Неоднородный песок с шероховатой поверхностью при­дает формовочной смеси большую пластичность.

При заливке формы образуется большое количество газов за счет горения защитных покрытий стенок формы и испарения влаги из формы; имеются газы, выделяющиеся из самого горячего ме­талла.

Если газы своевременно не удалены из формы, то отливка по­лучается бракованной из-за газовых раковин и пустот. Газы могут выходить или через стенки формы, или через слой жидкого метал­ла в литнике; в последнем случае отливка получается бракованной из-за газовых раковин, образовавшихся в отливке.

Способность смеси пропускать пары и газы через стенки формы называется газопроницаемостью.

Смеси с крупными круглыми зернами обладают большей газо­проницаемостью, чем смеси с мелкими шероховатыми зернами. Чем больше в смеси глины и влаги, тем газопроницаемость хуже.

Стенки формы при заливке подвергаются действию большого жара. При этом слой смеси в форме, соприкасающийся с расплав­ленным металлом, может оплавиться, пригореть, образуя на по­верхности отливки трудно отделимую корку. При этом отливка при­нимает неровную, шероховатую поверхность, и очистка ее стоит
дороже, чем само литье.

Температура оплавления и спекания смеси должна быть выше температуры жидкого металла.

Способность смеси выдерживать без существенных изменений высокую температуру расплавленного металла называется огне­упорностью;она зависит от химического состава формовочной сме­си, величины зерна — чем крупнее зерна смеси, тем они труднее оплавляются и спекаются.

Однородность характеризуется тем, что одинаковые по величи­не и форме зерна обусловливают одинаковые свойства по всей мас­се. Однородные смеси обычно имеют хорошую газопроницае­мость.

Теплопроводность — это свойство формовочной смеси переда­вать тепло от более нагретой части формы к менее нагретой. Фор­мовочные смеси не должны иметь большую теплопроводность. Наоборот, малая теплопроводность дает возможность отливке мед­ленно и равномерно остывать в форме, чтобы на ее поверхности не образовывалась твердая корка (закалка). Перед чеканкой такую корку приходится удалять предварительным отжигом, что удоро­жает и усложняет процесс обработки отливки.

Залитый металл при кристаллизации и затвердевании уменьша­ется в объеме. Такое явление называется усадкой. Форма не долж­на сопротивляться усадке, особенно та часть ее, которая образует внутреннюю полость в отливке, т. е. стержень. Свойство смеси не препятствовать усадке называют податливостью.

Долговечность — способность смеси сохранять основные перво­начальные свойства после повторных заливок. Изменения обычно заключаются в следующем: растрескивание от жара зерен смеси, перегорание глины, т. е. утрата пластичности и клейкости, накопле­ние мелочи и пыли.

Формовочные смеси делятся на облицовочные и напол­нительные. Большую часть формы изготовляют из наполнитель­ной смеси. Она должна иметь хорошую газопроницаемость, а ос­тальные свойства для нее не столь существенны. Небольшой слой, непосредственно прилегающий к поверхности модели, изготовляют из облицовочной смеси. От ее свойств в основном зависит успех отливки. Облицовочная смесь должна иметь все необходимые свой­ства (пластичность, прочность, газопроницаемость, огнеупорность, податливость и малую теплопроводность).

Иногда в качестве формовочных смесей используют природные земли, которые изредка встречаются в готовом виде и представ­ляют большую ценность. Например, к таким природным материа­лам относятся формовочные пески в Каслинском карьере на Урале, которые с давних пор применяются для чугунного художественного литья на Каслинском заводе, или формовочные земли, пригодные для бронзового литья, добываемые из карьера близ Коломенского в Москве.

Формовочные смеси различают для литья в сырую форму и для литья по просушенным формам. Свойства таких сме­сей не одинаковы.

По сырым формам обычно заливают чугун при литье несложных по конфигурации деталей. Наоборот, литье бронзовых статуй, бюс­тов и других сложных художественных моделей производят обяза­тельно по просушенным формам.

Успех отливки, как уже указывалось выше, во многом зависит от качества формовочных смесей, поэтому формовочные смеси тщательно составляют и подвергают специальным испытаниям для определения их свойств.

Существуют специальные приборы, которыми определяют свой­ства смеси:

газопроницаемость — через взятый и уплотненный образец про­пускают воздух и по времени прохождения воздуха через образец при определенном давлении судят о газопроницаемости;

крепость — уплотненный образец подвергают нагрузке до раз­рушения. Наибольшее усилие, деленное на площадь сечения образ­ца, и характеризует прочность формовочной смеси;

влажность — через образец в 30—50 г продувают нагретый до 200° воздух, затем образец вновь взвешивают, и разница в весе ха­рактеризует влажность; количество глины (в %) определяют отмучиванием и затем взве­шиванием. Разница в весе образца до отмучивания и после состав­ляет вес глины;

крупность зерна определяют путем просеивания через специ­альные сита.

Модели и их свойства. Форму можно изготовить по авторскому оригиналу только для отливки, не требующей соблюдения точных размеров. Обычно формовку производят по копии изделия, т. е. по модели отливки. Модели изготовляют из дерева, металла, гипса и т. п. Эти копии имеют специальные отклонения в большую сторо­ну от размеров изделий с учетом литейной усадки.

Для удобства формовки и для получения точных отливок по раз­мерам модель должна иметь следующие качества:

не должна разрушаться или изменять форму в процессе формовки и уплотнения вокруг нее земли, т. е. иметь проч­ность;

легко выниматься из формы, не повреждая ее стенок, т. е. иметь формовочные конусы — соответствующие уклоны на стенках (бо­ковых);

иметь чистую, гладкую поверхность, чтобы к ней не приставала земля;

быть легкой, чтобы при извлечении ее из земли не напрягать сильно мускулы рук, так как это вызывает сотрясение модели и осыпание частей формы;

быть несколько больше оригинала, чтобы отлитое по ней изде­лие после усадки соответствовало размерам чертежа.

Литейная усадка — это уменьшение объема металла при перехо­де из жидкого состояния в твердое. При охлаждении отливка сокра­щается и как бы отходит от стенок формы. Отливка всегда меньше модели, по которой была сделана форма. Величина усадки бывает различная. Металлы и сплавы с большой усадкой менее желатель­ны для литья. Литейные усадки некоторых металлов и сплавов при­ведены в табл. 19.

 

Пользуясь величиной литейной усадки, можно определить, на­сколько больше следует изготовить модель и по ней форму, чтобы получить отливку нужного размера.

Кроме того, при изготовлении модели должна быть учтена по­следующая механическая обработка отливки, т. е. модель по раз­мерам должна также иметь припуск на обработку.

Виды моделей. По конструкции модели для художествен­ного литья, в зависимости от способа приготовления форм и слож­ности отливок, делят на цельные, разъемные, с отъемными частя­ми (приборами), со знаками для пустотелых отливок.

Цельные модели,или простые,— модели, применяемые в тех случаях, когда изделие имеет простую форму без сложных и высо­ких выступов и больших углублений, затрудняющих в процессе фор­мовки извлечение модели из формы; к числу таких моделей отно­сят модели барельефов постаментов, некоторых декоративных на­кладок, архитектурных деталей, розеток

Разъемные модели — модели более сложных изделий с высоки­ми выступами и большими углублениями; их делают разъемными по плоскости симметрии, например, модель двусторонней медали. Модели для больших сложных изделий могут состоять из несколь­ких частей и формоваться в нескольких опоках. Части разъемной модели обычно соединяют шипами так, чтобы обе половины моде­ли не могли смещаться одна относительно другой. Смещение вле­чет за собой брак в отливке, называемый перекосом. Это часто по­лучается, если шипы недостаточно прочны, например, сделаны из дерева или в результате износа шипов и гнезд.

Модели с отъемными частями — их особенность в том, что при извлечении модели из формы части остаются в форме, а потом их вынимают отдельно в соответствующих направлениях. Например, модель декоративной вазы с ручками — ручки мешают свободно вы­нимать модель из формы; для удобства формовки ручки делают отъемные (их вынимают не вверх, а внутрь полости формы, причем сначала нижний кусок, потом верхний). Способы крепления частей на модели различны: шпильками, винтами, или шипами в форме «ласточкина хвоста».

Модели для пустотелых отливок. Они имеют специальные высту­пы на боковых стенках, которые называются знаками. При формов­ке эти выступы — знаки образуют в форме углубления — отпечатки, куда вставляются соответствующие выступы специально приготов­ленных земляных стержней или шишек, образующих внутреннюю полость отливок. Расположение и величина знаков на модели пусто­телой отливки зависят от расположения и величины внутренней полости. Когда полость имеет выход с двух сторон (трубы, колон­ны), знаки на моделях делают также с двух сторон (на боковых стенках). Иногда полость имеет только один выход, например, при отливке декоративных ваз и других подобных изделий.

В отливках типа бюстов или фигур внутренние полости не имеют выхода на поверхность (глухие полости). В таких моделях знаки нельзя делать большими, чтобы не исказить поверхности отливки. Их делают по диаметру каркаса стержня. Концами каркаса стержень крепят в стенках формы и заплавляют при отливке. После отливки концы каркаса срубают и зачеканивают.

Материалы для изготовления моделей. Для деревянных мо­делей применяют сосну, ольху, березу, бук, грушевое дерево, орех. Сосна наиболее дешевая порода, она слабо впитывает влагу и мало коробится. Из сосны делают модели колонн, тумб, постамен­тов, не имеющих на поверхности резьбы и тонких украшений, по­тому что сосна легко колется вдоль волокна, выкрашивается и за­дирается при токарной обработке.

Береза имеет большую прочность и чистую поверхность, легко обрабатывается на станках. Наиболее сложные и дорогие модели, имеющие тонкую резьбу и рисунки, делают из прочных и вязких пород — яблони, груши, бука, ореха.

Дерево любой породы содержит до 30% влаги и при сушке ко­робится и трескается. При впитывании влаги сухое дерево разбу­хает. Больше всего дерево усыхает вдоль окружности и меньше по радиусу. Доски коробятся, образуя выпуклость к центру ствола. Поэтому модели обычно не делают из целого куска, а из отдельных, частей, склеенных между собой так, чтобы слои не совпадали — тогда коробление гораздо меньше. Деревянные модели обязатель­но красят и покрывают водонепроницаемым лаком. Лак предохра­няет модель от разбухания и делает ее гладкой, к ней не липнет формовочная земля. По цвету окраски модели определяют, из какого металла будет отливка: модели для чугунных отливок красят в красный цвет, для бронзы — в желтый, для алюминия — в белый. Знаки всех моделей красят в черный цвет.

Недостатки деревянных моделей: от соприкосновения с сырой землей модель разбухает и трескается; острые кромки, и мелкие выступы быстро изнашиваются, на поверхности появляются забоины; модели с тонкими стенками, особенно пустотелые, коробятся.

Хорошим материалом для моделей при небольшом тираже яв­ляется гипс. Гипсовую модель изготовляют следующим обра­зом: снимают кусковую форму с пластилинового или глиняного ав­торского оригинала и заливают в нее гипс. Модель зачищают и по­крывают лаком.

Гипсовая модель не дает возможности сделать припуск на усадку.

Цементные модели мало удобны, так как они хрупки и плохо поддаются ремонту. Но для больших, крупномерных отливок могут применяться.

Пластмассовые модели за последнее время принимают все более и более широкое распространение, особенно при отлив­ке букв, цифр и т. п. Из пластмассы легко выпиливают и обрабаты­вают буквы и цифры, при этом получается чистая и гладкая поверх­ность; модель достаточно прочная и легкая. Пластмасса также при­меняется для приготовления подмоделей.

При серийном литье выгодно делать металлические мо­дели. Они прочны, долговечны, обеспечивают плотную набивку формовочной земли, имеют чистую поверхность. При больших ти­ражах они обходятся дешевле деревянных, которые приходится несколько раз делать и ремонтировать вновь.

а) Чугунные модели применяют для крупных отливок, например решеток, постаментов больших скульптурных групп и т. п.; пре­имущества чугуна: дешевый, прочный материал; недостатки: хруп­кость, мелкие рисунки и выступы выкрашиваются, трудно поддает­ся обработке, не чеканится и быстро ржавеет. По этой причине для мелких моделей не годится.

б) Латунные модели (бронзовые) применяют для художествен­ного литья различных архитектурных деталей, бюстов, барельефов и т. п. только при массовых тиражах. Преимущества латуни: не ржа­веет, хорошо принимает чеканку и гравировку, легко обрабатыва­ется на станках, имеет чистую поверхность; латунь хорошо паяется, что позволяет изготовлять самые сложные модели, которые дела­ют по частям, а затем собирают,

в) Алюминиевые модели легче других по весу и не ржавеют. Они все больше применяются, вытесняя чугунные и бронзовые модели. Их недостатки: малая поверхностная прочность, быстро изнашива­ются от ударов трамбовки, наколов и подрезки при кусковой фор­мовке. Ремонт моделей затрудняется в связи с особенностями пай­ки и сварки.

Изготовление металлических моделей делится на два этапа:

• изготовление подмодели из гипса или дерева (или чаще пла­стилина в комбинации с деревом или гипсом) и отливка заготовки («матки»);

• обработка «матки» на станках или вручную (проточка, прочеканка и т. д.).

При изготовлении подмодели делают двойной припуск на усад­ку (при отливке «матки» и модели) и на механическую обработку. Кроме того, на подмодели делают специальные приливы для удоб­ства зажима отливки на станке (токарном или фрезерном), которые затем срезают при механической обработке модели.

Стержни и их изготовление. Стержнем называют часть формы, которая служит для создания внутренних полостей в отливке. Он изготовляется отдельно от самой формы и вставляется в нее. Стержень состоит из двух частей: части, образующей внутреннюю полость отливки; опорной части — знака, при помощи которого он крепится в форме (кроме того, знак служит для отвода* газов, об­разующихся в стержне при заливке).

Стержень должен иметь все свойства, которые имеет форма, прочность, газопроницаемость и т. д. Однако в силу специфических условий, в которых он находится, эти свойства должны быть осо­бенно хорошо выражены.

Стержень чаще всего расположен в центре формы — он со всех сторон окружается металлом, следовательно, он должен быть бо­лее прочным, чем форма, омываемая металлом только с одной, внутренней стороны.

В стержне при заливке, как и в форме, образуются газы, но в форме они могут выходить через выпор, плоскость разъема опок, через стенки формы, а из стержня газы могут выходить только че­рез его знаки, следовательно, стержень должен быть более газо­проницаем.

Стержень со всех сторон нагревается металлом, поэтому он должен обладать большей огнеупорностью, чем форма.

При охлаждении; как уже известно, отливка имеет усадку и как бы отходит от стенок формы к центру, т. е. обжимает стержень, следовательно, он должен обладать податливостью, иначе от сильного внутреннего напряжения отливка может дать тре­щину.

Стержень должен хорошо выбиваться из отливки, особенно при фигурном литье, где его приходится удалять через малые отвер­стия, оставшиеся в отливке после удаления каркаса.

Основным материалом для стержней является тоже формовоч­ная земля, песок и глина, но кроме песка и глины в стержневую смесь добавляют крепители: декстрин, олифу, муку, лаки и т. д. Примерный состав стержневой смеси: тощий песок 60%, старая го­релая земля 40%, крепитель (декстрин) в пределах 2—3% от обще­го объема; влажность 5—6%. Стержни изготовляют отдельно в специальных стержневых ящиках, которые делают разъемными для удобства извлечения готовых стержней. Стержни сушат в сушиль­ных печах, а затем укладывают в готовую литейную форму. Для малых серий стержневые ящики делают из гипса или дерева, а для массового литья — из металла.

Процесс производства стержня в ящиках. Для этого процесса характерна такая последовательность операций:

• внутреннюю поверхность ящика припыливают ликоподием;

• половинки ящика складывают и ставят на стол в вертикаль­ном положении;

• ящик набивают до 1/4 высоты;

• в нем устанавливают два прутка — один для каркаса (остает­ся в готовом стержне) и другой для образования душника (выни­мается после набивки стержня, после чего остается сквозной канал для вентиляции);

• ящик наполняют доверху и вынимают пруток, образующий душник;

• стержень вынимают из ящика, предварительно постучав по его стенкам деревянным молотком, чтобы он отстал, и кладут на сушильную плиту;

• стержень сушат при температуре от 300—350° С — для песчано-глинистых смесей, до 200—300° С —для стержней с крепителями в течение 1—1 1/2 ч.

Опоки. Для удобства изготовления, разборки, сборки и перенос­ки формы, а также для преодоления усилий, возникающих в ней при заливке, формовку ведут в специальных ящиках без дна и крышки, называемых опоками. Обычно их собирают из двух частей и соединяют между собой при помощи штырей, укрепленных в проушинах, расположенных на боковых стенках опоки.

Для удобства переноса опока имеет ручки, а для того чтобы уплотненная в опоке формовочная земля не выпадала, ее снабжают ребрами или угольниками. В малых опоках ребер не делают, так как они мешают набивке формы.

Опоки должны отвечать следующим требованиям:

1) быть прочными; недопустимы прогибы стенок;

2) быть хорошо пригнанными друг к другу, штыри не должны качаться, что может привести к перекосу формы (к смещению). Диаметр штырей должен точно совпадать с диаметром отверстия в проушинах;

• быть легкими, чтобы их можно было свободно перемещать;

• большие опоки должны иметь ребра и угольники для удер­жания земли.

Имеются следующие разновидности опок:

Чугунные опоки,которые применяются при массовом, серийном производстве отливок. Они долговечны, прочны и по сравнению с другими металлическими опоками дешевы. По размерам чугунные опоки делят на ручные и крановые.

Ручные опоки делают такого размера, чтобы при работе их легко можно было поднять и перевернуть.

Крановые опоки применяют для отливки больших скуль­птур, их перемещают при помощи крана, ребра делают съемными, на болтах.

Стальные сварные опоки,реже литые, которые особенно хороши для сухой формовки, где от опок требуется высокая прочность при формовке и заливке.

Алюминиевые опоки, имеющие все большее применение; они достаточно прочны и гораздо легче чугуна или стали.

Шарнирные алюминиевые опоки (съемные) применяют при безопочной отливке. Формовку производят в опоке, а потом, перед заливкой, ее снимают, земляную форму крепят тонкостенной же­лезной рамкой — жакетом, а в опоке начинают изготовлять новую форму.

Формовочные инструменты делятся на две группы: для набивки форм; для отделки форм.

К первой группе относятся: подмодельные доски, лопаты для земли; совки, сита (из латунной сетки) для просеивания формо­вочных смесей с размером ячеек для мелкого литья 1—1,5 мм, для крупного (грубого литья) 3—5 мм, диаметр сит от 300 до 600 мм.

Трамбовки служат для уплотнения смеси. Узкий клинообразный конец применяют для уплотнения в узких местах модели; в меха­низированных цехах применяют пневматические трамбовки.

Счищалка — металлическая линейка для удаления лишней земли.

Душники-наколки — длинная стальная игла для наколки тонких каналов, увеличивающих газопроницаемость.

Деревянные молотки применяют для набивки кусков и расколачивания модели перед извлечением ее из формы.

Брусок-трепало служит для уплотнения смеси при формовке по непрочным (из пластилина) моделям. При работе трепалом он опи­рается на оба края опоки.

Кисти (изо льна) служат для смачивания углов и стенок формы перед извлечением модели для создания большей ее прочности.

Крючки и подъемы используют для подъема и извлечения мо­дели из формы; стальными заостренными стержнями вынимают небольшие деревянные и гипсовые модели, а также стержнями с резьбой вынимают металлические модели, в которых нарезаны гнезда с резьбой.

Щетки для очистки моделей от земли.

Ко второй группе относятся: гладилки для исправления и заглаживания повреждений в форме; ложки, стеки, ланцеты; игол­ки или вилки для отъема кусков; кисточки и щетки из конского во­лоса и перьев птиц; мешочек для припыла ликоподием, толченым углем или графитом.