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 (рис. 93).
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.
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.
