Одноразовые опоки
Узнав, что такое опока и как она используется, проще вникнуть в тонкости процесса. Он уже не кажется таким уж сложным, скорее, интересным и простым. Современные технологии позволяют попробовать самостоятельно изготовить ювелирное украшение практически в домашних условиях. Китайский рынок предлагает широкий ассортимент одноразовых опок с уже готовыми формами. Все что нужно для работы с такой формой, — это необходимое количество драгоценного металла и возможность его расплавить. Ими пользуются как ювелиры, не имеющие собственного литейного цеха, так и свободные мастера, изготавливающие украшения на заказ.
Литье в землю
Это самый ранний освоенный человечеством способ обработки металлов. Он освоен нашими предками одновременно с началом применения металлических изделий в качестве оружия, инструментов или утвари, то есть около 5 тысяч лет назад. Отливают расплавленный металл в подготовленную матрицу из смеси песка и глины. Самые ранние места обработки металлов как раз возникали там, где рядом размещались залежи металлов в виде самородков и россыпей. Характерный пример — всемирно известный своим чугунным кружевным литьем Каслинский завод на Урале.
Способ литья по выплавляемым моделям применяется для изготовления металлических изделий — как черных, так и цветных. И только для металлов, проявляющих повышенную склонность к реакции в жидкой фазе (таких как титан), приходится делать матрицы из других составов.
Производственный процесс литья в ПГС состоит из следующих фаз:
- изготовление модели;
- подготовка опоки;
- засыпка и уплотнение смеси в опоке;
- отливка металла;
- извлечение и очистка отливки.
Форма из ПГС — однократного применения. Чтобы достать готовое изделие, ее придется разбить. В то же время большая часть смеси доступна для вторичного применения.
В качестве материалов для ПГС применяют составы из преимущественно кварцевых песков различной зернистости и пластичных глин, содержание которых колеблется от 3 до 45 процентов. Так, например, художественные отливки производят с использованием смеси с 10-20 % содержанием глины, для особо крупных отливок содержание глины доводят до 25 %.
Применяют два подвида:
- Облицовочные смеси. Находятся на внутренней поверхности формы и взаимодействуют с расплавленным металлом. Должны быть жаростойкими, способными не разрушаться от разницы температур и возникающих вследствие этого напряжений. У таких смесей мелкое зерно, чтобы тщательно передать детали поверхности. Весьма значима и способность смеси к газопропусканию.
- Наполнительные смеси. Применяются для засыпки между облицовочным слоем и стенками опоки. Должны противостоять весу залитого металла, сохранять форму изделия и способствовать своевременному и полному отводу газов. Производятся из более дешевых сортов песка, подлежат повторному использованию.
Если же литьевые газы выходят не через массы формовочной смеси, а через литниковую систему, в отливке возникают дефекты, ведущие к браку.
Традиционная технология литья в землю детально проиллюстрирована в ленте А. Тарковского «Андрей Рублев». В новелле «Колокол» юноша Бориска, сын умершего мастера, по сюжету возглавляет литейную артель и отливает церковный колокол.
Процесс литья из чугуна
При накоплении в нижней части печи достаточного количества жидкого металла пробивают леток, и раскаленная масса льется в ковш, из которого и производится непосредственно литье чугуна в формы. Инструмент для разливки — ковш, имеет внизу отверстие с пробкой. Через него производится заливка мелких деталей. Для габаритных тяжеловесных отливок, когда надо быстро заполнить форму, могут использовать носик в верхней части ковша, наклонив его с помощью крана.
Подготовка моделей
Модели изготавливаются из различных материалов. Для изготовления малых партий и единичных заготовок крупногабаритных деталей используют дерево. Модель повторяет наружную форму детали с припусками на усадку. В места расположения отверстий вставляют стержни из формовочной смеси.
В качестве материала для изготовления моделей используют:
- воск;
- гипс;
- пластмассу;
- пенопласт.
Для изготовления больших партий отливок, начиная с нескольких сотен, со сложной конфигурацией используют изготовленные на станках ЧПУ и другом оборудовании модели из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов. В результате получается отливка с большой точностью наружных размеров, не нуждающаяся в обработке.
Формовка
Модель вставляют в металлическую форму, и оставшееся пространство заполняют песчано-глиняной смесью. Для получения плотной оболочки смесь уплотняют на вибростендах или утрамбовывают ручным пневмоинструментом.
Большие формы заполняют в несколько этапов, подсыпая смесь. Затем модель вынимают. Поверхность формы обрабатывают антипригарным составом и сушат.
Металлическая форма
Заливка металла
Формы выставляют в один ряд на специально подготовленное место. Над ними устанавливаются литники для заливки. Ковш заводится над формами и быстро заполняет их. Если чугун льется долго, отливки будут неравномерно охлаждаться, могут образоваться расслоения металла внутри.
Завершающие операции
После заливки формы остаются в яме для равномерного остывания на 12–60 часов. Продолжительность процесса зависит от наибольшего сечения отливки.
Остывшую форму достают, освобождают деталь от формовочной смеси и вместе накопителями и прибылями помещают в термическую печь на отжиг. Металл нагревают до 800⁰–900⁰, в зависимости от массы отливки и марки чугуна. Затем выдерживают при заданной температуре несколько часов. Чугун вместе с печью медленно остывает до 300⁰. Затем отливку достают, и охлаждение продолжается на воздухе.
После отжига структура чугуна выравнивается, снимаются напряжения. Теперь обрезаются технологические надставки и другие элементы. Производится зачистка поверхности от остатков формовочной смеси, окалины.
Самодельные печи
К печам, в которых будет расплавлен алюминий, не предъявляется практически никаких требований, нужно достичь температуры 600 градусов и все. Необходимость печи возникает из-за того, что открытый огонь не обеспечивает такой температуры, именно поэтому приходится создавать закрытое пространство, разогретое до такой температуры.
Можно изготовить печь из старых кастрюль. Делается это довольно просто: нужно взять кастрюлю с проделанным сбоку отверстием для воздуха, подавать воздух (например, при помощи шланга от пылесоса), в устройство закладывается уголь и поджигается, начинается подача воздуха для удерживания пламени, емкость обкладывается углем со всех сторон и для выхода дыма немного открывается крышка.
Независимо от формовки изделия, температура во всей печи будет находиться на одинаковом уровне.
Отличным вариантом будет использование газовой горелки.
Горелка газовая
Следует знать, что такой способ возможно использовать при отливке небольших штучных изделий. Печь можно соорудить при помощи двух консервных банок, вставленных друг в друга. При таком использовании нагревается только нижняя емкость, а наружная выступает в качестве оболочки, удерживающей тепло. Конструкция может быть прикрыта крышкой для отвода продуктов горения.
Модели.
При литье в землю формовка производится по постоянным моделям.
По конструкции модели могут быть цельными, разъемными. С отъемными частями и со знаками )для пустотелых отливок).
Для изготовления художественных отливок сравнительно простой формы, без высоких сложных выступов, больших углублений (пепельницы, настенные барельефы, детали архитектурного литья и т.п.) используют цельные модели.
Модели более сложных изделий, боковые стенки которых имеют уклоны не в одном направлении, изготавливают разъемными. Линия разъема модели должна лежать в плоскости разъеме опок. Части разъемных моделей соединяются между собой шипами. При изготовлении формы одна часть модели извлекается из верхней опоки, а другая – из нижней.
Если изделие имеет выступы, которые не позволяют извлечь модель из формы, модель изготавливают с отъемными частями, которые крепятся к основной модели шпильками. После завершения формовки сначала удаляют модель из формы, оставляя в ней отъемные части, которые удаляют отдельно.
Модели пустотелых отливок имеют знаки (специальные полости). В местах расположения знаков крепятся стержни, которые формируют внутреннюю полость отливок. Когда полость отливки имеет выходы с двух сторон (колонки, трубы, втулки), знаки на модели также делаются с двух сторон. Если внутренняя полость имеет выход только в одну сторону (как в бюстах и статуэтках), необходимо обеспечить надежное крепление знака стержня в форме.
Модели изготавливают из различных материалов: дерева, гипса, металла.
Чаще всего используют дерево, как наиболее дешевый и легкообрабатываемый материал.
Для изготовления модели крупного архитектурно-художественного литья с простым рельефом (колонки, тумбы, решетки, постаменты) обычно применяют сосну. Сосна слабо впитывает влагу и мало подвержена колебанию. Для наибольших моделей со сложной поверхностью сосна непригодна: она имеет крупные волокна, легко колется вдоль них, выкрашивается в тонких сечениях и задирается при обработке на токарнях станках.
Модели, которые необходимо обрабатывать на токарных станках, чаще всего делают из березы.
Наиболее сложные модели, поверхность которых декорирована тонкой резьбой, вытачивают из прочных и вязких пород дерева: яблони, груши, красного или черного дерева. Эти модели значительно дороже сосновых и березовых, но хорошее качество и продолжительный срок службы вполне окупают затраты на материалы.
В отличие от деревянных, металлические модели имеют целый ряд преимуществ. Они не коробятся, хорошо сохраняют свою форму, имеют прочную чистую поверхность и значительный срок службы.
Для изготовления модели широко используют чугун, как дешевый и достаточно прочный материал. Из чугуна чаще изготавливают крупные простые модели, не имеющие острых и мелких выступов (модели решеток, колони, постаментов, поручней и т.п.).
Однако чугун плохо поддается ручной обработке, обладает низкой коррозионной стойкостью, плохо паяется, кроме того, это хрупкий материал, из-за чего выкрашивается поверхность модели.
Латунь является одним из лучших материалов для изготовления моделей мелких и сложных художественных отливок. Латунные модели не ржавеют, хорошо воспринимают и сохраняют чеканку и гравировку, имеют чистую гладкую и плоскую поверхность, они хорошо паяются. Из латуни обычно делают модели небольших ажурных кабинетных украшений, а также модели, которые необходимо сохранить на продолжительный срок.
Преимуществом алюминиевых моделей по сравнению с другими металлическими моделями является их незначительная масса. К недостаткам этих моделей относят меньшую поверхностную прочность по сравнению с моделями из чугуна и латуни. Поверхность алюминиевых моделей быстро изнашиваются, на ней остаются следы от наколов при формовке, подрезке кусков формовке. Ремонт моделей затруднен, поскольку алюминий плохо поддается пайке.
Гипсовые модели очень удобны для сохранения художественного оригинала, как правило выполненного скульптором из пластика, глины или воска. Гипсовые модели изготавливают путем заливки раствора гипса в приготовленную по пластилиновому, восковому или глиняному оригиналу гипсовую же форму.
Классификация применяемых составов для точного литья
Материал можно сгруппировать по нескольким параметрам: основа, тип используемого наполнителя, температурный диапазон запрессовки в пресс-форму, размер линейной усадки.
По первому параметру смеси делят на следующие группы:
- вещества на базе парафина и других углеводородов;
- составы с базой из минвоска;
- сплавы на основе ряда смол естественного происхождения;
- материалы на основе искусственных смол и восков;
- металлы с пониженной температурой плавления.
В зависимости от типа используемого наполнителя в пастообразном видемодельные составы делят на несколько групп:
- без наполнителя;
- газообразные (обычный воздух);
- жидкий (обычная обессоленная вода);
- твердые, нерастворимые (ограниченно растворимые или полностью растворимые) в жидком пластификаторе.
В зависимости от каждого из следующих типов определяется маркировка модельных составов. На практике применяют чаще всего парафиново-стеариновые модельные смеси, имеющие доступную стоимость и хорошие характеристики. Они могут многократно использоваться при условии регенерации после 5-6 циклов. Последняя выполняется серной кислотой, которую добавляют в нагретую до 70-90 градусов смесь с последующим перемешиванием и выдержкой при этой температуре в течение часа. За это время происходит выпадение осадка, который удаляется, а в оставшуюся часть добавляется жидкое стекло. Последнее удаляет остатки серной кислоты, которая выпадает в удаляемый осадок в течение 2-3 часов. Завершающей стадией регенерации модельного состава остается добавление 3-5% свежего стеарина, который частично теряется во время обработки серной кислотой.
Модели для литья
Существует множество методов обработки металла и получения из него различных видов деталей. Но среди множества способов не всегда можно получить изделие требуемой формы и размеров с использованием токарно-фрезерного или штамповочного оборудования.
Литье по выплавляемым моделям
В таком случае инженеры прибегают к помощи литья, в том числе и по выплавляемым моделям.
Литье в керамические формы
Так, называют метод получения отливок в том числе и с крупными размерами, обладающих высокой точностью в одноразовых формах выполненных из керамики. Их изготавливают из подвижных смесей, используя для этого постоянную модель.
Модель после получения формы не утилизируют и ее можно использовать для получения новых форм.
Литье в керамические формы
В состав этой смеси входят огнестойкие порошки разной фракции, и растворов этилсиликата и огеливателя. После тщательного перемешивания ее выливают в заранее подготовленную оснастку. Там она затвердевает, пройдя через эластичное состояние. После выполнения этой операции форму снимают и отправляют в печь для прокаливания.
Такой метод применяют для получения штампового инструмента, технологической прессовой оснастки, компонентов литейных форм и пр.Существует несколько наименование литья в керамические формы – шоу-процесс, уникаст-процесс и керамкаст-процесс. Разница между первыми двумя заключается только во времени получения патента.
Последний процесс, включает в себя элементы технологии первых двух.
Оболочковые формы для последнего процесса производят при помощи разъемных моделей с тонкими стенами, которые выполнены из искусственного каучука.
Керамическую оболочку выполняют точно так же, как и для литья по выплавляемым моделям. При сборке формы, эластичные детали просто вытягивают, а литники или выплавляют или выжигают.
Для изготовления стержней используют такой способ – в ящик для формовки стержней заливают суспензию и через некоторое время ее сливают. На поверхности ящика останется слой суспензии, засыпаемый огнеупором. Те частицы, которые не прилипли, удаляют из ящика.
После чего, снова заливают суспензию и посыпают ее порошком. Эту операцию повторяют несколько раз до тех пор, пока стержень не получить необходимые размеры.
Огнеупоры
Изготовление моделей и модельные составы
Для того, чтобы изготовить модели применяют так называемые модельные составы. Их основу составляют смеси выполняемые на основе воска. Кроме этого, в состав добавляют полимеры, они улучшают механические свойства смесей. На некоторых производствах применяют мягкие составы. Они могут быть насыщены воздухом, для их упрочнения применяют полиэтилен или битум.
Модельные составы должны в полной мере отвечать следующим требованиям:
- Они должны обладать малой усадкой и не должны сильно расширяться под воздействием высоких температур.
- Постоянством твердости и прочностных характеристик.
- Определенной эластичностью.
- Возможность предельно точно повторять полость пресс-формы.
- Модельная смесь не должна прилипать к рабочим поверхностям формы и не должна оказывать коррозионного воздействия на них.
- Стойкостью к определенным химическим и физическим воздействиям.
- Смесь должна обладать хорошей стойкостью к окислению при разных температурах.
Готовые отливки
Изделия, получаемые при литье металлов можно разделить на несколько типов:
- Чушки, которые в дальнейшем будут использоваться для дальнейшей переплавки.
- Слитки, предназначенные для обработки давлением.
- Фасонные изделия, которые могут быть отправлены на дополнительную механическую обработку, необходимую для удаления литников, облоя.
Готовые отливки
Современные технологии литья металлов позволяют получать детали, которые не требуют дополнительной обработки.
Литье в оболочковые формы
Способ литья в оболочковых формах по выплавляемым моделям характеризуется наилучшей передачей размеров изделия и низкой шероховатостью поверхности. Модель делается из легкоплавких составов, например буроугольного воска. На литейных предприятиях также широко применяют состав парафин-стеарин в равных долях. В случае отливок больших размеров в модельный материал включают соли, предохраняющие макет от деформаций. Способом погружения в раствор модель покрывают в 6-10 слоев высокотемпературной суспензией.
Связующим выступают гидролизованные силикаты, в качестве жаростойкой обсыпки берут кристаллики электрокорунда или кварца. Материалы для производства оболочковых форм отличаются высокой прочностью, низкой гигроскопичностью и отличной газопроницаемостью.
Макет сушат в атмосфере газообразного аммиака. На следующем этапе форму прогревают до 120 ˚С, чтобы удалить парафиновую модель. Остатки смеси удаляют перегретым паром под большим давлением. Далее форму прокаливают при температуре до 1000 ˚С, что ведет к ее окончательному закреплению и удалению веществ, могущих выделиться в виде газов в процессе отливки.
Оболочку помещают в подобие опоки, которую засыпают стальной дробью. Это помогает сохранить конфигурацию при заполнении формы расплавом и одновременно улучшает условия охлаждения отливки. Заливка расплава происходит в разогретые до 1000 ˚С формы. После охлаждения изделия по специальной программе в термостате форму разрушают, извлекают и очищают отливку.
Главное достоинство этого метода литья — высокая точность передачи размеров изделия и низкая шероховатость поверхности.
Дополнительные плюсы метода:
- Отливка деталей из сплавов, плохо поддающихся механической обработке.
- Отливка изделий, которые иначе придется отливать по частям и далее собирать воедино.
Недостатки данного способа литья по выплавляемым моделям – малый коэффициент использования металла и повышенная трудоемкость.
Необходимое оборудование
Чтобы изготовить алюминиевые детали разного назначения с высокой точностью под давлением, потребуется специальное оборудование: автоматическая машина и прочные пресс-формы. Для литья алюминия их обычно делают на основе стальных сплавов.
Их поверхность отливки должна быть почти идеальной, не допускаются никакие искажения геометрической конфигурации и размера. Пресс-форма должна быть оснащена механизмом, благодаря которому из нее готовую деталь можно будет извлечь без труда. Помимо этого, в ее составе должны присутствовать и подвижные стержни из металла, с помощью которых образуются внутренние полости заготовок.
Будущим изделиям, которые вы будете заливать в специальные формы, потребуется придать ту или иную конфигурацию, которые преимущественно зависят от самих форм. В таком литейном процессе также используются специализированные машины и прочее оборудование.
Литейные машины могут иметь холодную или горячую камеру, в которой осуществляется процесс прессования форм. Обычно машины с горячей камерой для плавки металла применяются для изготовления сплавов преимущественно на основе цинка. Нужное давление в них нагнетается благодаря применению поршня или сжатого воздуха. Под давлением расплавленная смесь медленно вытесняется вовнутрь предварительно приготовленных пресс-форм.
А машины, где применяют холодное давление, в основном используются тогда, когда потребуется сделать отливки с добавлением медных и магниевых сплавов. Расплавленная смесь в таком случае в процессе литья попадает вовнутрь форм под очень большим давлением, иногда оно может составлять около 700 мегапаскаль.
Благодаря литью под давлением можно в плане производительности достичь высоких показателей, также не нужно будет детали подвергать дополнительно механической обработке. Машины отличаются по моделям в зависимости от своих рабочих параметров.
Производство форм
Специальные литейные машины в домашних условиях практически не используются. Это не целесообразно не только в отношении больших затрат на их приобретение, но и потому что процесс достаточно сложный в техническом плане. А еще оборудование, которое работает под давлением, очень габаритное.
В домашних условиях выплавляемым изделиям на основе алюминия требуемая форма придается ручным способом. Форму при этом тоже можно сделать самому. Многие домашние мастера применяют методику литья «в землю», благодаря которой можно в итоге получить необходимые алюминиевые детали без специального оборудования.
Моделям форм, с которыми приходится работать, вы сможете придать определенную конфигурацию, причем сами формы изготавливаются на основе подручных материалов своими руками. В частности, форму можно получить из простого цементного раствора. В такой ситуации выплавляемой заготовке можно придать прямоугольную или квадратную форму. В интернете можно отыскать видеоуроки, как правильно залить алюминий в цемент.
Для литья нередко применяются гипсовые формы. Гипсовым моделям в такой ситуации можно придать почти любую конфигурацию. Очень важным показателем при работе с формами является усадка материала. При его застывании он должен быть минимальным.
Под заливку алюминия моделям можно придать желаемую конфигурацию благодаря применению воска. Но здесь нужно сказать, что посредством воска можно изготавливать на основе алюминия только небольшие детали. Благодаря ряду эксплуатационных характеристик восковым моделям можно будет придать даже сложные конфигурации, но изготовить детали таким способом можно только один раз.
https://youtube.com/watch?v=gpariUr_FZE
Литейным методом можно с легкостью изготавливать детали на преимущественно дюралевой основе. Дюраль — это материал, состоящий преимущественно из алюминиевого сплава с рядом других компонентов. Но нужно знать, что заготовки, которые выплавляются на его основе, застывают долго.
Модели, которые используются под литье металла, должны обязательно быть подготовлены: их потребуется очистить и нанести масло в качестве смазки.
МИКРОЛИТЬЕ НА ДОМУ
Литых деталей из цветных металлов и их сплавов в технике применяется немало, в том числе достаточно сложных и миниатюрных, серийный выпуск которых могут себе позволить лишь предприятия с прецизионной технологией. Однако единичное (или даже мелкосерийное) микролитье вполне под силу организовать и на дому. С современной технологией, оказывается, может соперничать старинный способ литья под давлением с помощью незамысловатой ручной центрифуги.
Практически все, что нужно для такого микролитья, может быть изготовлено своими руками. Затраты — минимальные.
Действительно, требующаяся при литье опока в данном случае — это Отрезок обычной стальной трубы диаметром 50—60 мм и с толщиной стенок 2—3 мм. Для литья изделий разной величины хорошо иметь несколько опок различного диаметра при условии, что каждая свободно умещается в бадейке центрифуги. При наличии такого набора можно отливать по очереди целую серию деталей.
Под стать опоке по простоте и центрифуга. Деревянная ручка ее имеет длину порядка 200 мм и диаметр 20—30 мм. В осевое отверстие ручки вставлен болт М8. К нему с помощью законтренной гайки прикреплена металлическая серьга так, чтобы и ручка, и серьга легко вращались, не мешая друг другу.
К серьге на коромысле из 6-мм стальной проволоки подвешена бадейка для опоки. Борт бадейки изготовлен из 60-мм отрезка стальной трубы 80×3 мм, а приварное днище — из стального листа толщиной 3 мм. Дужка высотой 200 мм — из той же 6-мм стальной проволоки.
Чтобы уверенно пользоваться такой центрифугой, надо сначала немного потренироваться, вспомнив, как в школьные годы в физкабинете доводилось крутить на бечевке ведерко с водой при изучении центробежной силы.
Правда, теперь вместо бечевки и ведерка с водой в руках самодельная центрифуга с бадейкой, на днище которой— пластмассовый (чтобы не разбился) стаканчик. Но вода в нем обычная, какая была в школьных экспериментах по физике. И действие центробежной силы аналогичное. Крепко удерживая рукоятку, надо вращать всю цепь (серьга — коромысло — бадейка и сосуд с водой) вокруг болта-оси, стараясь не пролить ни капли.
Технология получения качественного микролитья пол давлением из цветных металлов и сплавов с помощью ручной центрифуги:
1 — болт-ось; 2 — деревянная ручка; 3 — металлическая, легко вращающаяся серьга; 4 — законтренная гайка; 5 — стальное проволочное коромысло; 6— дужка; 7 — борт бадейки; 8 — днище бадейки; 9 — опока; 10 — формовочная масса; 11 — восковая модель; 12 — восковой шарик с технологическими проволочными штифтами; 13—литьевая форма с литниковыми каналами, образовавшаяся после выплавления воска и удаления штифтов; 14—расплавляемый металл (сплав); 15 — пламя бензиновой горелки; заполнение формы расплавом при вращении центрифуги и последующие операции по извлечению и доводке готового изделия не показаны
Приноровившись, впоследствии можно иметь дело уже не с водой, а с расплавленным цветным металлом (или сплавом), который станет вдавливаться центробежной силой через литниковые каналы в литьевую полость в опоке, установленной в бадейке вместо пластмассового стаканчика.
Самое, пожалуй, сложное и трудоемкое в микролитейном деле — это изготовление объемной, в натуральную величину восковой модели. Лепится такая из воска вручную, с использованием нагретого глазного скальпеля или горячей штопальной иглы С предельной тщательностью прорабатываются даже мелкие детали, ведь расплавленный металл (а равно и любой сплав) ошибок и неряшливости не прощает. Более того, отливка, выполняемая на центрифуге под давлением, проявляет все огрехи модели!
В своей практике я использую восковые модели, высота у которых не более 40, а диаметр — 50 мм. При этом стараюсь соблюдать соразмерность, чтобы масса металла в отливке не превышала 40 г Ограничения обусловлены в основном небольшой мощностью горелки, используемой мною для плавки.
