Литейные работы
Металлы и сплавы как литейный материал
Для литейных работ начинающего мастера пригодны будут главным образом легкоплавкие металлы и их сплавы. Температуру печи для плавки или горна трудно будет получать выше 1000°, поэтому брать для литья придется лишь металлы с более низкой температурой плавления. Для большинства работ наилучшими будут цинк, свинец и их сплавы, гарт, или типографский металл, из которого льют шрифт.
Другим распространенным сплавом является баббит, употребляющийся для заливки подшипников. В литейную мастерскую начинающего мастера материалы будут попадать главным образом в виде различных обломков металла с неизвестным составом. Придется произвести сначала простейшую сортировку по внешним свойствам. Надо попробовать кусочки гнуть, ломать. Если куски легко ломаются, с крупнозернистым светлым изломом и блеском, то это будет гарт или баббит. Излом более темного цвета и мелкокристаллический и металл, труднее поддающийся излому, укажут на цинк. Гибкий, неломающийся кусок, легко расплющивающийся под молотком, темно-серого цвета можно сразу признать за свинец. Таким образом производится приблизительная сортировка литейного металла.
Чистый цинк плавится при 419°, свинец - при 327°, а различные сплавы этих металлов при еще более низкой температуре. И цинк и его сплавы очень хорошо заполняют все мелкие детали формы и являются для начинающего мастера самым подходящим литейным металлом. Свинец хотя плавится легко, но хуже заполняет форму. Все же это будут два самых подходящих металла, хотя в промышленном машиностроении главными литейными материалами являются чугун, сталь и бронза.
Сравнительно невелика температура плавления алюминия - 658°. Литье из алюминия требует большого уменья, так как при неподходящих условиях плавки он дает большое количество раковин в отливке. Но все же отливка из него при некотором навыке хорошо удается. Там, где от литого изделия начинающему мастеру потребуется большая прочность, можно взять и более тугоплавкий металл - алюминий.
Отличный литейный материал представляют собою различные бронзы, но они уже требуют гораздо более высоких температур, в пределах до 900°, которых труднее достигнуть.
При плавлении металлов необходимо соблюдать известные правила. Положим, что собираются плавить свинец и цинк. Свинец быстро расплавится, имея температуру плавления 327°, цинк же еще долго будет оставаться твердым, так как его температура плавления выше 419°.
Что произойдет со свинцом при таком перегреве? Он начнет покрываться пленкой радужного цвета, а потом его поверхность окажется скрытой под слоем неплавящегося порошка. Свинец угорел от перегрева, окислился, соединившись с кислородом воздуха. Этот процесс, как известно, происходит и при обычной температуре, но при нагревании он идет гораздо быстрее. Таким образом, к тому времени, когда начнет плавиться цинк, останется очень мало металлического свинца. Сплав получится совсем не того состава, как предполагалось, и потеряется большое количество свинца в виде угара. Ясно, что надо сначала плавить более тугоплавкий цинк и затем класть в него свинец.
То же самое произойдет, если сплавлять цинк с медью или латунью, разогревая сначала цинк. Цинк угорит к моменту расплавления меди. Значит, надо сначала плавить металл с более высокой температурой плавления. Но одним этим угара не избежать. Если правильно разогретый сплав долго держать на огне, опять образуется на поверхности жидкого металла пленка как следствие угара. Ясно, что опять обратится в окись более легкоплавкий металл и состав сплава изменится; значит, нельзя металл долго перегревать без надобности. Поэтому стараются всячески уменьшить угар металла, укладывая его компактной массой; мелкие куски, опилки, стружка сначала «пакетируют», плавят куски более или менее одинаковой величины, ведут нагрев при достаточной температуре, оберегают поверхность металла от соприкосновения с воздухом. Для этой цели начинающий мастер может брать буру или просто прикрывать поверхность металла слоем золы, которая всегда будет плавать наверху (благодаря своему меньшему удельному весу) и при выливании металла не помешает.
Так как температура плавления сплавов обычно ниже температуры плавления наиболее тугоплавкого из составляющих сплав металлов, то иногда выгодно поступать наоборот: сперва расплавить более легкоплавкий металл, а затем - более тугоплавкий. Однако это допустимо лишь для металлов, не сильно окисляющихся, или при условии предохранения этих металлов от излишнего окисления.
При застывании металла происходит еще одно явление, вероятно, также знакомое мастерам. Металл, застывая, уменьшается в объеме, причем это уменьшение происходит за счет внутренних, еще не застывших частиц металла. На поверхности отливки или внутри нее образуется более или менее значительное воронкообразное углубление, так называемая усадочная раковина. Обычно форму делают так, чтобы усадочные раковины получились в тех местах отливки, которые впоследствии удаляются, стараясь по возможности предохранить самое изделие. Понятно, что усадочные раковины портят отливку и иногда могут сделать ее негодной.
После расплавления металл несколько перегревают, чтобы он был жиже и горячее и поэтому лучше заполнил бы детали формы и не застыл бы преждевременно от соприкосновения с более холодной формой.
Металла надо брать больше, чем требуется для самой вещи, чтобы он заполнил не только форму, но и литниковый канал. Ясно, что надо сначала рассчитать необходимое количество металла. Существуют таблицы, позволяющие точно определить вес отливки по весу модели. Приводим некоторые цифры из такой таблицы.
Модель сделана из: |
Предмет отливается из: |
||
латуни |
бронзы |
цинка |
|
ели и сосны |
15,8 |
16,6 |
13,5 |
липы |
15,1 |
15,5 |
12,9 |
березы |
11,9 |
12,3 |
10,2 |
дуба |
10,1 |
10,4 |
8,6 |
Вес модели надо умножить на соответствующее число таблицы. Нужно предупредить все же, что этот способ будет справедлив лишь для сплошных литых деталей, не имеющих каких-либо пустот внутри, что часто делается для облегчения веса отливки или требуется самой конструкцией отливки. Для различных подсчетов прилагаем удельные веса материалов, могущих встретиться в работе:
Удельный вес латуни - 8,2-8,9
Удельный вес цинка - 7,1
Удельный вес бронзы - 7,4-9,2
Удельный вес свинца - 11,4
Удельный вес алюминия - 2,7
Удельный вес баббита - 7,1
Удельный вес песка сырого - 1,9-2,0
Удельный вес земли глинистой - 2,0
Удельный вес ели или сосны - 0,5-0,6
Удельный вес липы - 0,4
Удельный вес березы - 0,7
Удельный вес дуба - 0,8
Этих данных достаточно для различных подсчетов при определении примерного веса будущей отливки и веса земли в опоке или том ящике, где делается форма. Если вес модели известен и она будет изготовлена из материала, удельный вес которого тоже известен, то составляют пропорцию:
искомый вес отливки / вес модели = равен = удельный вес металла / удельный вес дерева модели
Из этой пропорции находят с достаточной точностью нужную величину.
Оборудование литейной и инструменты
В качестве моделей можно брать не только точеные предметы, но и изготовленные другим способом, и притом не только из дерева. При изготовлении моделей можно широко пользоваться лобзиком, выпиливая модель из фанеры или даже вырезая ее из картона. Точно так же можно делать модели из глины, гипса, воска и других материалов. Можно формовать также по готовой вещи.
Модели могут быть простые и разъемные, но во всяком случае надо всегда сообразить, как сделать модель так, чтобы ее целиком или по частям можно было легко вынуть из опоки после формовки, не повредив самой формы. Для этого все те поверхности, которые должны стоять в форме отвесно, делают на модели с небольшим уклоном (литейная конусность) - его величина равна 1-2°.
Рисунок. Литейный уклон.
Исключение представляют модели из воска или парафина, с которыми можно поступить следующим образом. Опоку с заформованной моделью ставят на просушку в горячую печь; модель расплавится, и материал, из которого она была сделана, впитается в формовочную землю, не вредя дальнейшей отливке.
Надо лишь предусмотреть устройство литников - каналов для провода заливаемого металла внутрь формы, - так как форму с такой моделью разнять рискованно. Для них можно также заформовывать плавкие, а не деревянные баклуши (бруски, образующие после их выемки каналы, по которым поступает металл внутрь формы). Конечно, возможны неудачи и при этом способе, но, во всяком случае, он очень удобен для начинающих мастеров при отливке сложных моделей. Разумеется, при этом по восковой или парафиновой модели можно приготовить лишь одну-единственную форму, в то время как деревянные или металлические модели могут многократно применяться для формовки.
Если отливка будет впоследствии обрабатываться (обтачиваться, опиливаться), то в размерах модели надо сделать припуск на обработку. Кроме того, при отливках учитывается еще усадка металла - указанное выше уменьшение его объемов после остывания. Поэтому модельные мастера в своих измерениях при постройке моделей пользуются не обычными мерами длины, а особыми, где учтена эта усадка. Модельщики мерят не обычным метром, а особым, усадочным, причем для каждого металла должен быть свой усадочный метр, в зависимости от свойств металла.
Очень часто отливки должны иметь пустоты. Такие формы для отливок с пустотами устраиваются особым образом, - они должны иметь еще форму самой пустоты, или шишку. Шишку делают из глины или формовочной земли в особых шишельных (шишечных) ящиках и затем укладывают на соответствующие места в форме. Модель имеет выступы, или шишельные знаки, по которым отформовывают места для укладки шишки.
Рисунок. Модель, шишельный ящик (справа) и форма с шишкой.
Форму изготовляют из формовочной земли, набиваемой вокруг модели в ящике особого устройства, или опоке. Опоки бывают металлические и деревянные. Обычно они устраиваются в виде ящика из двух половин без дна и крышки. Надо сделать одну или две опоки, в виде небольшого, крепко сделанного ящичка из двух половин со знаком на одной стороне (указывающим, как складывать половины), клиньями на верхней половине и соответствующими гнездами на нижней. Благодаря такому устройству обе половины точно складываются. Для того, чтобы формовочная земля крепче держалась в опоке, их внутри не строгают. Кроме того, можно по краям внутри набить тоненькие планки.
Рисунок. Опока.
Опоки во время работы приходится ставить на ровную поверхность или перевертывать. Для этой цели необходимо иметь две подмодельных доски по размерам несколько больше опоки. Снизу на них набиты планки, дающие возможность поднимать доску вместе с опокой.
Рисунок. Подмодельная доска.
Для уплотнения земли надо завести деревянную или металлическую колотушку в форме пестика с круглым и клинообразным плоским концом. Ровная палочка или толстый железный стержень вполне могут служить колотушкой. В производственных литейных цехах для уплотнения земли в опоках при ручной формовке служат механические трамбовки.
Рисунок. Колотушка.
Для формирования литника, который служит не только для заливки металла, но частично и для заполнения образующихся при усадке раковин, надо завести коническую точеную или строганую палочку- литниковую баклушу.
Рисунок. Литниковая баклуша.
Необходимо иметь линейку для срезывания избытка земли с опоки, небольшое сито для просеивания земли, железную шпильку для прокалывания в форме отверстий для выхода газов - отдушин. Затем необходимо несколько инструментов, изображенных на следующем рисунке, которые служат при формовке для выглаживания стенок формы, прорезания канавок, выбирания попавших в форму кусочков земли и другого. Сделать их можно из полосок жести или стали. Эти формовочные инструменты носят название карасиков, ложечек, крючков, гладилок и бывают самой разнообразной формы.
Рисунок. Карасики.
На этом можно закончить описание формовочных инструментов. Они очень просты и могут быть изготовлены силами начинающего мастера.
Ковши и тигли.
Литейщику нужны приспособления для плавки: тигли, ковши, ложки. Если речь идет относительно литья из цинка, свинца или гарта, то тут дело просто: ковш из мягкой стали или ложка, консервная банка вполне достаточны для плавки этих металлов. К банке надо приделать ручку из толстой проволоки или стержня и выгнуть носок. Такая посуда для плавки будет служить долго. Другое дело, если придется плавить алюминий и, особенно, бронзу. При высокой температуре плавления этих металлов простая стальная ложка будет сильно окисляться и быстро сгорит.
Стальной ковш со стенками около 3 мм толщиной выдерживает 2-3 плавки бронзы. Чтобы он служил дольше, можно обмазывать его внутри кругом жидкой глиной, накладывая ее нетолстым слоем и после каждой плавки возобновляя обмазку. Самодельный ковш такого рода можно сделать из обрезка стальной водопроводной трубы большого диаметра, сплющивая его низ. Лучше всего приобрести небольшой тигель, графитовый или из огнеупорной глины. Такие тигли имеются в продаже, и служить они будут очень долго. Для вытаскивания тиглей надо иметь особые щипцы или кузнечные клещи.
Рисунок. Литейный ковш из обрезка трубы.
Плавильный горн. Необходимая принадлежность литейной начинающего мастера - это горн для разогрева металла. Если использовать цинк, свинец и гарт, то горном может служить примус, печка, паяльная лампа, газовая плита. Алюминий также можно вполне удовлетворительно плавить в печке. Но для бронзы этого уже будет маловато, придется применить горн с дутьем, иначе бронза будет только выгорать. Небольшой самодельный горн можно сделать из старого конусного ведра, большой жестянки, листа кровельной стали. На следующем рисунке схематически изображен такой самодельный горн. Внутренность его обмазывают слоем глины с песком в 30-50 мм толщиной. В дно пропускают трубку (сопло) для подачи в горн воздуха. Надо только так расположить сопло, чтобы оно давало струю воздуха в середину горна и не могло бы забиться шлаком или случайно вылившимся из ковша металлом.
Рисунок. Самодельный горн.
Еще лучше расположить (вмазать) над соплом ряд стальных или чугунных брусков, образуя из них решетку. Тигель ставится на эту решетку, на ней же держится все топливо, засыпаемое между тиглем и стенками горна.
Горн можно снабдить крышкой с отверстиями для выхода дыма и газов, - тогда тигель или ковш не остывает. Размеры горна должны быть такие, чтобы тигель помещался в него глубоко и между стенками горна и тиглем был бы слой угля.
В качестве топлива лучше всего брать древесный уголь, для более крупных горнов - кокс. Топливо должно быть в кусках по возможности одной величины. Нельзя сжигать одновременно крупные куски и мелочь. Подкладывать уголь надо небольшими порциями, давая ему разгораться и постоянно подправляя его.
Для поддержания горения топлива в горне необходимо подавать воздух (дутье), что производится при помощи мехов. Схема действия мехов изображена на рисунке. Изготовить их своими силами нетрудно, взяв для основы дощечки, а на мехи и клапаны тонкую кожу или клеенку. Лучше сделать мехи двойного действия, дающие равномерное дутье.
Рисунок. Схема мехов одинарного и двойного действия.
Но наиболее удобным будет вентилятор с электромотором и реостатом, который позволит регулировать скорость вращения мотора и тем самым подачу воздуха в горн.
Муфельные и тигельные печи. Для плавки небольших количеств алюминия, бронзы и других тугоплавких металлов и сплавов очень удобны тигельные и муфельные печи (рис. 25). В них получается высокая температура - 900-1200° С.
Рисунок. Муфельная печь.
Печь сделана из огнеупорных керамических материалов и покрыта листами асбеста и железным кожухом. Нагревательные электроэлементы - спирали - укладывают в стенках шахты. Различают печи с открытой и закрытой спиралью. Печи с закрытой спиралью удобнее, потому что брызги расплавленного металла, попадающие на открытую спираль, разрушают ее защитную пленку - и спираль быстро перегорает. Замена нагревательного элемента - дело очень сложное.
К печи подключен реостат, которым можно менять напряжение на электроспиралях и тем самым регулировать степень нагрева. Измерение температуры в печах с высокой степенью нагрева производят с помощью специальных приборов - термопар (термоэлементов).
Действие их основано на том, что в месте соединения (спая) двух разнородных металлов возникает электрический ток, величина которого зависит от температуры спая и от материала, используемого для проводников. К термопаре подключен специальный милливольтметр, шкала которого разградуирована в градусах Цельсия.
Оборудование печи таким приспособлением не обязательно, однако термопара позволяет следить за расплавлением металла не открывая печи и не охлаждая ее этим.
Формовка и литье
Формовочная земля должна хорошо принимать форму - запечатлевать все детали модели, сохранять приданную форму и быть при этом достаточно пористой, чтобы образующиеся газы легко проходили через нее.
Для мастерской пригоден будет мелкий просеянный песок (90%) с небольшой (10%) примесью глины. Глину надо хорошо разболтать с водой и полить этим раствором сухой песок. Получается достаточно хорошая формовочная земля. Эти смеси - тощая формовочная земля - употребляют для изготовления сырых, непросушенных форм. Однако начинающим мастерам надо самим производить опыты с различными местными сортами песка и глины, выбирать наиболее подходящие. Иногда очень хорошую формовочную землю представляет собой мелкий песчанистый ил по берегам ручьев и рек.
Формовочная земля должна быть слегка влажной на ощупь, не слишком сухой и не мокрой. Качество формовочной земли узнают простой пробой. Комок земли, полученный сжатием кулака, сдавливают двумя пальцами или кидают с небольшой высоты. Если шарик развалится только на 2-3 части, - земля хорошая. Если же проба рассыплется на мелкие куски, - связность земли мала. Связующими веществами являются глина, патока, сахарный сироп, клейстер.
При изготовлении форм с тонкими деталями надо брать более жирную формовочную землю. Но при этом надо помнить, что земля всегда должна оставаться пористой. Для пористости в жирную землю можно добавить толченый древесный уголь или древесные опилки, истертый мох и другое.
Для изготовления шишек надо брать еще более жирную землю. Иногда для прочности в шишку приходится вставлять металлический стержень, в нее вкладывают восковой фитиль или соломинку, с целью образовать вентиляционный канал, что увеличивает ее пористость. Шишки надо тщательно сушить до полного высыхания. При сушке соломинки выгорают, а воск расплавляется.
Формовочная земля должна быть очень тщательно отсеяна и перемешана так, чтобы она стала совершенно однородной. Ею набивают опоки с моделью, затем их разнимают, вынимают модель, подчищают форму и прорезывают канал от литника к заполняемой металлом полости.
Модель и форму надо при формовке припыливать, чтобы получить чистые отпечатки. Для припыливания лучше всего брать ликоподий, детскую присыпку. Для более грубых отливок употребляют в качестве припыла графит, древесный уголь в порошке, пемзу. Припыл насыпают в холщовый мешочек.
Готовую припыленную форму из тощей земли можно прямо заливать металлом. Это будет сырая форма. Однако при более жирной земле, металле с высокой температурой плавления и форме с тонкими деталями опоку с формой лучше сушить и даже нагревать перед отливкой при помощи паяльной лампы, горячих углей или ставя в печь. Форму можно подсушить или высушить совершенно.
Кроме таких временных форм (так как они служат для изготовления отливки лишь один раз), можно изготовлять формы постоянные. На заводах их делают из металла; мы же будем изготовлять их из глины, гипса. При изготовлении таких постоянных форм надо предусмотреть выход из нее воздуха и газов при заливке, а также возможность вынимания отливки без какого бы то ни было повреждения формы.
Постоянные формы делают только тогда, когда надо сделать много одинаковых деталей. Например, начинающему мастеру может понадобиться десятка два колес. Для таких отливок лучше всего сделать постоянные формы.
Опишем несколько способов формовки простых типичных изделий. Для начала возьмем в качестве модели небольшой конус. Его форма позволяет отформовать модель в одной опоке. Вот как это делается.
На подмодельную доску укладывают нижнюю опоку, перевернув ее вниз той стороной, которой она соединяется с верхней половиной. Внутрь опоки на доску ставят модель плоскостью вниз и слегка ее припыливают.
При укладке модели сбоку можно положить деревянный полуцилиндрик, или баклушу, для отформирования литникового канала. Модель засыпают слоем самой мелкой свежей сеяной земли толщиной сантиметра в два и плотно уминают его пальцами, стараясь не сдвинуть модели. Постепенно наполняют опоку землей, утрамбовывая колотушкой. Набив опоку, избыток земли срезают линейкой и в том месте, где находится модель, делают шпилькой несколько проколов, почти доводя их до модели, чтобы сделать отдушины для выхода газов сквозь землю.
Закрывают опоку второй подмодельной доской, осторожно переворачивают опоку и снимают первую доску, оказавшуюся наверху. Под доской будет плотно набитая землей опока с плоской стороной модели и баклуши канала. Припыливают ее, наставляют верхнюю половину опоки и набивают ее плотно землей, предварительно установив на свободный конец баклуши канала коническую баклушу литникового стояка. Набив и эту опоку, срезают избыток земли и карасиком или ложечкой делают литниковую воронку около литникового стояка сбоку.
Шпилькой делают отдушины в верхней опоке, вынимают литниковую баклушу и осторожно снимают верхнюю опоку. Сняв, ее ставят набок. В этой верхней опоке получится только отверстие для литникового стояка; вся же форма будет в нижней опоке, откуда теперь можно вынуть баклушу литникового канала и самую модель.
Если при формовке не вкладывалась баклуша для литникового канала, то, не вынимая модели, надо прорезать карасиком от литника к модели литниковый канал. По модели надо слегка постучать, раскачать ее, чтобы она отделилась от земли, затем, воткнув в нее шило, осторожно вытащить.
Маленькие модели можно вытаскивать при помощи куска пластилина. Так как при вколачивании заостренного шила деревянная модель несколько разрушается, то можно в ней предварительно сделать отверстия для винтов, которые ввинчиваются при вынимании модели.
При вынимании может случиться, что в форму попадут песчинки или даже обломятся края формы. Песок удаляют при помощи карасиков, ложечек и скребочков и выдувают ртом или резиновой грушей. Обвалившиеся края подравнивают. Чтобы они были крепче, перед удалением модели их можно осторожно смочить водой при помощи мягкой кисточки. На воронке верхней половины можно положить перекладину из глины, чтобы в форму не попали вместе с металлом шлаки и зола. После этого припыливают поверхности обеих опок и осторожно их складывают, следя за знаками на боках опок. После припыливания можно опять вдавить осторожно модель в форму, чтобы стенки формы были глаже. При отливке из легкоплавких металлов можно сразу же и заливать форму.
Заливку надо производить возможно быстрее, чтобы вся литниковая воронка была постоянно заполнена металлом. Перерыв струи металла в процессе заливки может повлечь за собою попадание внутрь формы - в тело будущей отливки - всяких загрязнений, обычно всплывающих на поверхность металла в литниковой воронке.
Дав металлу застыть, разнимают опоку. Часть земли около формы пристанет к металлу, образуя корку около металла. При недостаточном припыливании и высокой температуре металла земля пристает довольно крепко. Ее удаляют стальными щетками.
Это самый простой пример формовки и отливки. Если верхняя часть модели не плоская, а имеет другой вид и сама модель неразъемная, дело будет сложнее. Положим, что надо отлить колесо с ребордой для железнодорожных моделей или шкив. У моделей сделана литейная конусность, чтобы модели легко можно было вытащить из формы. Несмотря на сложность формовки, она уже не представляет особых затруднений после первой работы.
Укладывают модель верхней (более широкой) стороной вниз на подмодельную доску, накрывают перевернутой нижней опокой и набивают ее уже известным образом.
Перевернув опоку, карасиком удаляют слой земли над моделью так, чтобы вокруг ее поверхности образовалась ямка с пологими краями. Края эти как следует уминают и заглаживают, припыливают поверхность, ставят верхнюю опоку и заканчивают набивку. Вот что получится в верхней опоке. Вынимают модель, чистят форму, складывают ее и заливают. Надо больше осторожности при разъеме таких опок, особенно если форма в верхней опоке выпуклая.
Такой способ формовки вполне допустим, когда верхний край АВ ступицы колеса или шкива не выходит за пределы линии АВ, проведенной через край обода. Если же ступица выходит за пределы плоскости обода, как это показано на рисунке 38, то необходимо подкладывать под обод кусочки дерева такой толщины, чтобы в процессе формовки сохранить горизонтальное положение модели. Можно формовать также и при помощи фальшивой опоки (см. ниже), помещая в фальшивую опоку всю выступающую за плоскость обода часть ступицы.
Формовку неразъемной модели можно делать иногда не с подрезкой, а при помощи фальшивой опоки. Этот способ состоит в том, что сначала набивают верхнюю опоку и затем вдавливают в поверхность земли модель верхней половиной на такую глубину, чтобы модель можно было впоследствии вытащить без повреждения формы. Припыливают поверхность, ставят нижнюю опоку и набивают ее. Перевертывают обе опоки и верхнюю снимают, выколачивают из нее землю, подчищают модель и поверхность в нижней опоке. Наставляют снова верхнюю пустую опоку и набивают ее вторично обычным порядком, с литниковой баклушей и отдушинами. Для большого числа неразъемных моделей эти два способа очень хороши. Набитая первоначально фальшивая опока не годится в качестве части формы, ее обычно разрушают.
Очень часто модели делают разъемными, разрезая их по таким плоскостям, чтобы части модели легко вынимались из формы. Для того чтобы части модели точно складывались, они имеют стержни, или дюбели, в одной половине и соответствующие им отверстия в другой. Заформовывают обычным образом сначала одну половину модели, затем переворачивают набитую опоку. На плоскость разъема заформованной половинки модели ставят вторую половинку, припыливают землю и модель и набивают верхнюю опоку. Формовка по разрезанным моделям, конечно, проще, нежели по неразрезанным. Литейную конусность здесь уже делают в обеих половинах в противоположные стороны.
Несколько сложнее формовка для отливок с пустотами. Как пример возьмем формовку трубки с фланцем. Она имеет полость, образуемую в отливке с помощью шишки - стерженька, отформованного отдельно в шишельном (правильнее - шишечном) ящике из более жирной, достаточно пористой формовочной земли.
В шишке шпилькой можно сделать сквозной канал или вставить внутрь при ее изготовлении несколько соломинок (фитиль) для выхода газов. Кроме того, шишку надо тщательно высушить в сушильном шкафу или духовке. Для шишки с глиной температура должна быть 350° С, для шишек с маслами, мукой и другими выгорающими веществами - не выше 200-250° С.
Модель трубки имеет по концам соответствующие шишке выступы - шишельные знаки. В форме отпечатаются углубления от шишельных знаков, в которые после удаления модели плотно ляжет шишка. Металл зальется вокруг шишки, и, таким образом, отливка получится с отверстием.
Материал для этого должен быть не только пластичным, пористым, но и легко удаляться из отливки. Поэтому иногда для шишек берут тощую формовочную землю и связывают с веществом, сгорающим при заливке или теряющим свои связывающие качества. К таким веществам принадлежат масла, патока, воск, канифоль, клейстер и другие.
Как уже говорилось, все формы из формовочной земли являются формами временными.
Более прочные формы, выдерживающие несколько отливок, делают из более жирной земли или глины. Их надо хорошо сушить.
Кроме того, всякие каналы, литники, выпоры и другое надо устраивать на плоскости разъема, иначе отливку нельзя будет вытащить из формы без разрушения ее.
Выпором называется специальный канал, иногда оставляемый в форме для облегчения вывода из последней газов и воздуха; выпор необходимо устраивать в самой верхней части будущей отливки на стороне, противоположной литниковому каналу.
Заливка формы. Как только форма готова, ее можно сразу заливать без просушки, если отливка производится из легкоплавких металлов, температура плавления которых не выше, чем у цинка.
Металл плавят при соблюдении тех же условий, о которых говорилось выше.
Заливать форму надо не торопясь, но быстро, чтобы не лить тонкими, легко остывающими струйками, и следить за тем, чтобы в воронку не попадали шлак, угольки, зола, особенно если литниковая воронка не имеет ловушки для задержки плавающих на поверхности металла веществ.
Заливку лучше производить в защитных очках и во всяком случае не наклоняясь над опокой, а держа ковш на вытянутой руке, чтобы брызги металла не попали на лицо. Если земля недостаточно пориста, то при отливке в сырую форму водяные пары и газы от сгорающих при соприкосновении с горячим металлом частиц (припыла, угля и другого) не в состоянии выйти иначе, как сквозь жидкий металл. Металл закипает в литнике, разбрызгивается во все стороны, и может даже получиться взрыв, который повлечет за собой ожоги.
Если земля мало пориста, отливка получится вся в раковинах. Раковины, очень часто скрытые внутри отливки, могут получиться от плохо просушенных или плохо вентилируемых шишек, из-за отсутствия отверстий в форме для выхода газов (душники) или из-за их недостаточности. Поэтому душники надо прокалывать, доводя их почти по модели и кругом нее, в необходимом количестве.
Если отливка будет плохо выполнена в своих мелких деталях, то это указывает, что металл был слабо нагрет.
При малом количестве металла в отливке могут получиться недоливы; металла надо брать столько, чтобы его хватило не только на самую отливку, но также на литник и на воронку. При достаточном запасе в литнике усадка может произойти за его счет, не захватывая отливки, и, кроме того, отливка будет находиться под давлением столба металла.
Чаще всего неудачи в формовке происходят из-за слабой связности земли или ее малой влажности. Надо обязательно делать пробу на связность. Землю, во всяком случае для слоя, лежащего к модели, надо брать свежую, не бывшую в отливке, и помельче. Необходимо землю просеять и очень тщательно перемешать.
Попавший в форму волос может испортить всю формовку. Набивка опок должна производиться небольшими порциями, плотно и тщательно, во всех уголках опок и модели. Очень часто к модели прилипают песчинки, половинки формы слипаются и форма выходит нечистой. Это бывает из-за недостаточного припыливания или плохого качества припыла. По этой причине и отливка может выйти нечистой, с приставшими песчинками. Необходимо все же предостеречь как от излишнего уплотнения земли в форме, так и от излишней рыхлости формы. Слабо набитая форма может обвалиться, разрушиться под действием струи металла. Плотно набитая форма способствует получению плохих раковистых отливок, как указывалось выше.
Дальнейшая обработка отливки состоит в очистке ее от приставших песчинок, удалении литников, приливов и заусениц при помощи обрубки, опиливания и сглаживания, где это нужно, поверхности отливки. Это сглаживание производится опиливанием, обточкой на станке, строжкой.
Обрабатывая напильником колеса, блоки и другое, надо опиливать, вращая предмет в обратную движению напильника сторону. Тогда поверхность получится почти такая же, как после обточки.
Примеры отливок. Что может понадобиться отливать начинающему мастеру?
Рыболову может понадобиться крючок-тройник, залитый в грузило, для ловли спиннингом. Его лучше всего отформовать по грушевидной модели, сделанной из любого материала. Форма разнимается поперек или вдоль модели. Перед заливкой в нее вставляют крючки и ушко.
Рисунок. Крючок-тройник.
Моделисту-судостроителю может потребоваться большое количество разных отливок, в том числе и тяжелая свинцовая баластина для киля в форме полосы, или чтобы изготовить клюзы, якоря, кнехты и прочие детали, или, как говорят моряки, - дельные вещи.
Все эти детали, конечно, будут очень мелки для формовки в опоках с землей. Для них лучше изготовить постоянные гипсовые или глиняные формы. Приемы при изготовлении гипсовых форм примерно таковы. Делают коробочку из картона, бумаги или фанеры. Это заменит нижнюю опоку. В нее укладывают смазанные вазелином модели так, чтобы они могли быть вынуты из гипса хотя бы с некоторой подрезкой. Заливают коробочку гипсом (гипс - алебастр - в порошке нужно насыпать в подходящую по размерам посуду и размешать с водой до густоты жидкой сметаны), дают ему затвердеть, затем перевертывают форму, подчищают модели и пробуют их вынуть. По плоскости разъема прорезают к формам каналы, литники и отдушины. На краях опоки делают 2-3 выреза. В верхней половине по этим вырезам отольются зубцы, и, таким образом, обе половины будут точно совпадать. Всю подготовленную поверхность формы смазывают вазелином или раствором парафина в керосине, вкладывают модели на свои места и устраивают борта вокруг формы, образуя тем самым как бы верхнюю опоку, куда затем опять наливают гипс. После затвердения форму подчищают, тщательно просушивают и приступают к отливке.
Многим мастерам понадобятся колеса для моделей трамваев, электровозов и другого. Мы уже разбирали формовку такой модели. Модели для колес лучше всего изготовить на токарном станке; но их можно выпилить из фанеры, склеить из нескольких слоев тонкой фанеры или картона. Каждый раз необходимо только помнить о правильной литейной конусности, так как иначе может получиться так, что не удастся вытащить модель.
Труднее будет отлить ствол для пушки, так как он должен иметь канал. Придется делать отливку с шишкой, причем довольно тонкая и длинная шишка должна опираться в форме только одним концом. Чтобы другой конец не провисал, его придется подпереть так называемой жеребейкой, согнутой из проволоки или полоски жести. Жеребейка так и останется в отливке: очевидно, ее общая высота должна быть равна толщине стенок отливки. В окончательном оформлении пушка будет иметь вид старинного орудия, которое заряжалось с дула и стреляло при помощи запала.
Формы и отливка оловянных солдатиков могут быть сделаны по вышеописанному способу формовки и заливки.
Скульптор может выполнить свои произведения из глины или пластилина в более прочном материале, отливая их из гарта или цинка по своим моделям. Отливки будут сплошные, поэтому такой способ пригоден только для небольших скульптур.
Односторонние скульптурные модели (барельефы) могут быть отлиты с довольно тонкими стенками. Способ формовки таких моделей, а также и целиком объемных фигур - формовка с подрезкой или с фальшивой опокой. Эти способы иногда приходится усложнять, делая третью часть формы из более жирной земли. Эта вставная часть с опоками не связана и лежит свободно, представляя отдельную часть формы. Способ этот называется формовкой с перекидным болваном. Формовка желобчатого колеса по разрезной модели. В этом случае выемка обеих половинок модели производится поочередно: снимают верхнюю опоку, вынимают верхнюю половину модели, вновь накладывают верхнюю опоку, всю форму переворачивают вверх ногами, так что нижняя опока оказывается наверху, снимают ее, вынимают вторую половинку модели, снова надевают снятую нижнюю опоку и окончательно переворачивают всю форму в первоначальное положение.
Оболочковые формы. Литье в земляные, или, как их еще называют, песчаные формы имеет ряд недостатков. Основным из них является необходимость делать отливки с большими припусками на дальнейшую обработку, в результате чего происходит потеря металла и времени. Другой недостаток в том, что в форме можно сделать только одну отливку. Более прогрессивными, с точки зрения экономии металла, времени и получения более прочных форм и точных отливок, являются кокильное литье (в металлические формы), литье под давлением, литье в оболочковые (бакелитовые) формы. Одновременно с усовершенствованием способов изготовления отливок литье, там где это возможно, заменяют штамповкой. Из прогрессивных способов литья в кружке или школьной мастерской можно попробовать литье в оболочковые формы, - способ, завоевавший благодаря простоте и высокому качеству поверхности отливок широкое признание литейщиков. Чистота поверхности отливок, получающихся в бакелитовых формах, настолько высока, что позволяет обойтись без механической обработки или ограничиться только шлифованием. Правда, литье под давлением и по выплавляемым моделям дает еще более высокую чистоту поверхности, но эти два способа для кружка намного сложнее, чем оболочковое литье. Изготовление бакелитовых форм имеет, конечно, смысл только в том случае, когда нужно сделать серию (несколько десятков) одинаковых отливок.
Сущность приготовления бакелитовых форм состоит в следующем. Форма образуется из чистого кварцевого песка и фенолформальдегидной смолы, которая имеет любопытную особенность: при температуре в 70° С она размягчается, а при температуре выше 120° С плавится, превращаясь в текучую клейкую массу. Но такое состояние сохраняется всего лишь несколько секунд. Дальше смола снова твердеет и навсегда - вернуть ее в прежнее состояние невозможно. При повышении температуры за 450° смола начинает выгорать.
Процесс изготовления форм отличается от уже известных. Модель делается из металла. Наилучшим материалом для моделей служит чугун, но в условиях кружка можно пользоваться алюминием, бронзовыми моделями. Поверхность моделей шлифуют. Разумеется, сложные по форме модели должны быть разъемными, и с них придется делать отдельную форму для каждой половинки модели. Литниковые каналы и воронки в этом случае тоже делают из двух половинок. Для подмодельных досок нужно взять 1-2 чугунные пластины подходящего размера, с шлифованными рабочими поверхностями, на которых должны быть по углам симметричные выступы и впадины, для точного совмещения половинок формы. Перед засыпкой плиту и модель (а при достаточных размерах плиты на ней можно разместить несколько моделей) тщательно обезжиривают и нагревают до 130-140° С. После этого снова обезжиривают, нагревают и затем наносят разделительный состав, позволяющий легко снимать форму.
Разделительный состав можно приготовить по такому рецепту:
жидкость №5 - 7-8%
мыло хозяйственное - 3-4%
теплая вода - 88-90%
Можно также пользоваться смазками СКТ-2 и СКТ-3.
Обработанную так плиту с моделями, литниковыми каналами и воронкой окружают металлической рамкой и, нагрев до 230-250°, насыпают формовочную смесь такого состава:
чистый кварцевый песок (размер зерен 0,1-0,6 мм) - 90-95%)
пульвербакелит - 5-10%
керосин - 0,2-0,3%
Для уменьшения хрупкости оболочки в смесь можно добавить 2 процента древесной муки. Все составляющие следует хорошо перемешать.
На горячей модельной плите смола плавится и обволакивает песчинки тонкой пленкой, затем она отвердевает и получается корочка. Через 1-1,5 минуты (время нужно проверить пробой) образуется корочка толщиной в 6-8 мм, что вполне достаточно. Теперь нужно перевернуть плиту и ссыпать лишнюю смесь. Чтобы оболочка окончательно затвердела, ее нужно держать на горячей плите несколько минут, пока она не станет коричневой. Если есть возможность снова нагреть плиту до 320-350°, то полное отвердение наступит через 1 минуту. После этого форму нужно аккуратно снять с плиты.
Половинки форм складывают и склеивают специальными клеями, или просто сжимают струбцинками или болтами с гайками и шайбами.
Заливка форм производится обычным способом. Корка получается достаточно пористой, так как песчинки склеиваются только в местах соприкосновения друг с другом, и поэтому отдушины для выхода воздуха и газов делать не нужно.