Смеси для художественного литья

 

Художественные отливки по степени сложности, массе и материалу, из которого они изготовлены, весьма разнообразны. Так, в производстве одного лишь Каслинского завода на Урале можно встретить отливки массой от нескольких граммов до нескольких тонн, по размерам от сантиметра до нескольких метров, по толщине стенки от миллиметра до десятков миллиметров. Естественно, что требования, предъявляемые к литейным формам таких разнообразных отливок, также не одинаковы. Например, прочность стенки формы статуи массой 5 т не может быть равна прочности стенки формы ажурной коробочки или браслета для часов. Следовательно, формовочные смеси для литейных форм выбираются для каждой отливки.

Облицовочная смесь соприкасается с моделью и с отливкой. Облицовочная смесь, воспроизводящая отпечаток поверхности модели, первая принимает на себя температурные воздействия заливаемого в форму металла и должна обладать хорошей прочностью, пластичностью, огнеупорностью и газопроницаемостью. Поэтому она содержит, как правило, больше свежих формовочных материалов и, как наиболее дорогая, используется в форме в небольших количествах (слоем 20–30 мм на поверхности модели).

Наполнительная смесь состоит в основном из оборотной смеси с небольшим количеством свежих материалов.

Формовочные смеси при машинной формовке архитектурного литья вследствие особенностей технологического процесса формовки используются одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси и называются едиными смесями.

Естественные, или природные, смеси представляют собой глинистые пески марок П0063 и Ж005 с содержанием глины от 12 до 30 %. Природные формовочные смеси широко применяются в производстве тонкостенных ажурных и кабинетных чугунных и цветных отливок для форм, заливаемых в сыром виде и после сушки. Эти смеси обладают хорошей пластичностью, сырой и сухой прочностью.

Искусственные, или синтетические, смеси наиболее распространенные в производстве художественных и архитектурных отливок. Они представляют собой смесь песка и глины или нескольких песков с большим или меньшим содержанием глины и отработанной смеси. Пески и оборотную смесь смешивают в таких пропорциях, чтобы в результате образовалась формовочная смесь, обладающая необходимыми свойствами.

Формовочные смеси для форм чугунных отливок. Состав формовочных смесей (табл. 72) зависит от сложности конфигурации и поверхности отливок, толщины их стенок и состояния литейной формы перед заливкой.

Таблица 72

Состав и свойства формовочных смесей для форм чугунных художественных и архитектурных отливок

 

Отливки	Особые требования к отливкам	Состояние формы перед заливкой	Смесь	Свойства смеси	Содержание компонентов в смеси, мас. %
Предел прочности при сжатии, МПа	Газопроницаемость, усл.ед.	Влажность, %	Глина	Свежие добавки	Оборотная смесь
Тонкостенные ажурные (шкатулки, вазы, тарелки и др.)	Повышенная чистота поверхности	Сырая	Единая	0,03–0,035	80–90	3–4	12–20	10–12	Остальное
Кабинетные (настольные бюсты, статуэтки и др.)	Чистота и мягкость поверхности (отливки отжигаются)	Сухая	Облицовочная	0,085–0,09	19–21	9–10	25–30	60–70	30–40
Наполнительная	0,055–0,06	20–25	6–8		–
Статуарные (статуи и памятники)	Чистота поверхности	Сухая	Облицовочная	0,08–0,09	20–25	5–6
Наполнительная	0,068–0,07	26–30	6–7	2,4	12,5	87,2
Архитектурные (решетки, колонны, балясины, барельефы и др.)	Чистота поверхности	Сырая	Облицовочная, мазут	0,02–0,025	30–50	4–6	12–15
Наполнительная, бентонитовая эмульсия	0,02–0,03	66–70	4–6	10–12

 

Смеси для форм ажурных отливок, имеющих сложную поверхность, тонкую стенку и большое число просветов, образующих ажур, должны обеспечивать получение в форме четкого отпечатка сложной поверхности модели и прочность мельчайших болванчиков, даю­щих просветы в отливке. Кроме того, чугун при заливке в форму по срав­нению с цветными сплавами имеет более высокую температуру. Поэтому формовочные смеси для форм, заливаемых чугуном, должны обладать доста­точной огнеупорностью.

Повышение температуры заливки чугуна приводит к более интенсивному газовыделению при прогреве формы – формовочные смеси должны иметь хорошую газопроницаемость. Таким образом, формовочные смеси для форм, заливаемых чугуном, при достаточной прочности должны быть газо­проницаемыми и огнеупорными.

Формовочные смеси для форм отливок из цветных сплавов. Латунь, бронза и алюминиевые сплавы, применяемые в производстве художественного литья, по сравнению с чугу­ном имеют более низкую температуру заливки и большую жидкотекучесть. Поэтому при изготовлении литейных форм представляется возможным применять мелкозернистые формовочные смеси, дающие чистую и гладкую поверхность отливки.

Формовочные смеси для форм, заливаемых по-сырому, применяют при изготовлении литейных форм для тонко­стенных и ажурных отливок (барельефы, ажурные тарелки, вазы, детали статуэток и т.д.).

Для получения в форме хорошего отпечатка, сложной поверх­ности модели и прочности небольших болванчиков, образующих просветы в отливке, формовочные смеси таких форм должны иметь хорошую газопро­ницаемость, пластичность и быть достаточно прочными. Поэтому при приготовлении смесей применяют мелкозернистые пески с повышенным содержанием глины (природные глинистые и обогащенные с добавками глины в качестве самостоятельного компонента смеси).

Смеси для форм, заливаемых по-сырому, используют и при изготовлении форм для архитектурных отливок. В этом случае большая масса отливки и размеры форм требуют применения в формовочных смесях более крупных песков и повышающих огнеупорность смеси добавок.

Формовочная смесь для форм, заливаемых после сушки. Литейные формы статуй и бюстов значительно сложнее обычных отливок. Для их изготовления применяют, как правило, сложную кусковую формовку. При этом формовщик, разбирая форму для удаления модели, имеет дело не с полуформами, скрепленными стенками опоки, а с частями формы в виде спрессованных кусков формовочной смеси. Естественно, что такие формы должны быть изготовлены из более проч­ных формовочных смесей.

Смеси для кусковой формовки должны выдерживать давление не менее 0,09 МПа на поверхности формы. Газопроницаемость таких смесей в сыром виде вследствие содержания в них большого количества глины низкая (20–25 усл.ед.). Поэтому литейные формы, изготовленные из этих смесей, нельзя заливать в сыром виде, так как повышенное количество пара и газа не будет свободно выходить из формы через ее стенки. Газопроницаемость форм, изготовляемых из жирных формовочных смесей, улучшают путем их сушки. В процессе сушки в результате испарения влаги и выгорания добавок увеличивается пористость формы. Газопроницаемость смеси в форме после сушки повышается до 60–70 усл.ед.

В качестве наполнителя смеси используют одну отработанную смесь. Освежают ее с учетом наличия в ней значительного количества неперегоревших кусков форм, набиваемых из жирной облицовочной смеси.

Специальные формовочные смеси. В производстве художественного литья часты случаи, когда сложность отливки требует применения особых способов изготовления литейной формы, использования специальных формовочных смесей.

Жидкая формовочная смесь применяется при формовке скульптурных отливок для нанесения облицовочного слоя на поверхность восковой модели и изготовления в форме стержня. На поверхность модели жидкую смесь наносят путем оплескивания модели. При изготовлении стержня смесь заливают в полость гипсовой формы. В состав жидкой смеси входят кварцевые пески, пылевидный кварц, цемент и вода. Суспензию на этилсиликатном связующем применяют для нанесения на поверхность выплавляемой модели слоя, который после ее выплавления образует неразъемную керамическую форму – оболочку для отливки.

Связующим суспензии является гидролизованный раствор этилсиликата, наполнителем – пылевидный кварц (маршаллит) марки КП1, КП2, прокаленный при температуре 850–900 °С, с удельной поверхностью не менее 5 м²/г.

Песчано-смоляные смеси применяют в производстве отливок, получаемых в оболочковых формах. В состав смеси в качестве наполнителя входит кварцевый песок с зернами размером менее 0,2 мм. В качестве связующего используют термореактивную смолу. В целях экономии дорогостоящих смол оболочки полуформ изготовляют двухслойными. В этих случаях песчано-смоляные смеси делят на облицовочные и наполнительные. Облицовочные приготовляют с большим содержанием смол, наполнительные – с меньшим.

Стержневые смеси в процессе заливки формы находятся в более тяжелых условиях, чем формовочные, поэтому они должны быть более прочными, газопроницаемыми, податливыми, огнеупорными, менее гигроскопичными, с хорошей выбиваемостью из отливки (табл. 73).

Основными материалами для приготовления стержневых смесей, как и для формовочных, является песок и глина. Однако большое количество гли­ны, необходимое для повышения прочности, ухудшает газопроницаемость, податливость, выбиваемость смеси, увеличивает ее пригар к стенкам отливки. Для улучшения качества стержневой смеси в ее состав вместо глины вводят крепители. К ним относятся различного рода масла, декстрин, жидкое стекло и другие специальные материалы.

Таблица 73

 

Стержневые смеси для чугунных художественных и архитектурных отливок

 

Отливки

Свойста смеси

Содержание компонентов в смеси, мас. %

Газопроницаемость, усл.ед.

Влажность, %

Предел прочности, МПа

Сухие составляющие

Жидкие композиции

при сжатии

при растяжении

Оборотная смесь

песок

Глина

ЛСТ

Декстрин

Жидкое стекло

2К2О2016

Ж201

1Т1О1016

1К1О101

3К3О302

Кабинетные (настольные бюсты, статуэтки и группы)

3–4

0,018–0,03

0,2

–

–

–

–

–

–

–

6–7

0,02–0,03

0,2

–

–

–

–

–

–

–

–

Архитектурные (колонны, тумбы, вазы декоративные и др.)

5–6

0,03–0,035

0,07–0,15

–

–

–

–

–

–

3–4

0,015–0,03

0,3–0,5

–

–

–

–

–

5–7

 

 

Песчано-глинистые смеси имеют достаточную прочность в сыром виде, их применяют для стержней простых форм художественных отливок, изготовляемых по-сырому. Песчано-масляные смеси применяют для стержней кусковых форм, заливаемых после сушки.

В технологическом процессе изготовления стержней значительную часть времени занимает их сушка. Трудоемкость и продолжительность процесса сушки стержней устраняются совершенно или сокращаются до ми­нимума при использовании в стержневых смесях в качестве связующего жидкого стекла (5–7 %). Стержни из таких смесей твердеют на воздухе без обработки, после продувки углекислым газом СО₂. Используют их в пластичном и жидком состояниях. Более эффективны самотвердеющие смеси (ЖСС, ПСС).

Для улучшения податливости и газопроницаемости в стержневые песчано-глинистые смеси для крупных стержней статуарных отливок добавляют рубленую солому, древесные опилки, торф.

Для небольших стержней статуэток иногда вместо специальной стержневой смеси используют облицовочную смесь для кусковой формовки.

 

Смеси для ювелирного литья

 

Для литья ювелирных изделий сложной конфигурации из сплавов меди (Т _пл до 1 100 °С) широкое распространение получил так называемый энтион-процесс с применением кристобалито-гипсовых форм. Используют как импортные формовочные материалы («К-90», «Сатинкаст», «Суперкаст» – табл. 74, «Инвестрайт» – табл. 75), так и отечественную формовочную массу «Ювелирная». Импортные формовочные смеси имеют высокую химическую чистоту компонентов: 70–75 % смеси β-кристобалита и β-кварца; 25–30 % высокопрочного α-гипса СаSO₄·1/2Н₂О. Крупность порошков кристобалита и гипса в этих смесях не превышает 100 мкм.

 

Таблица 74

Химический состав формовочных масс для ювелирного литья

 

Формовочная масса	Химический состав, мас. %
B2O3	CaO	SiO2	FeO	Fe2O3
Суперкаст	0,58	11,71	66,18	1,67	0,15
0,35	10,83	70,25	0,75	0,12
К-90 (Италия)	0,83	9,5	74,31	–	0,03

 

Продолжение табл. 74

 

Формовочная масса	Химический состав, мас. %
Al2O3	MgO	K2O	Na2O	SO3
Суперкаст	0,24	0,71	–	0,25	16,75
0,40	0,25	0,44	0,15	15,32
К-90 (Италия)	0,01	–	–	–	13,52

 

Таблица 75

Состав и свойства смеси «Инвестрайт»

 

Параметры	Значения
Расход воды на затворение 1 кг смеси, см^3	380–400
Гарантируемое время жидкоподвижности смеси от момента введения воды, мин, не менее	8–9
Начало схватывания смеси, мин	14–20
Предел прочности, МПа:
на сжатие после 2 ч выдержки	2,0
после прокалки	1,1
Максимально допустимая температура заливаемого металла, К	1 430
Гранулометрический состав, мм	0,02–0,09
Химический состав, мас. %:
SiO2
СаSO4
сумма примесей
Данные рентгеноструктурного анализа	a-кварц + a-кристобалит + полуводный гипс

 

В импортных формовочных массах используется кристобалитсодержащее сырье месторождения Сан-Кристобаль (Мексика) или искусственный продукт обжига при температуре 1 150–1 200 °С аморфного кремнезема, полученного разложением природ­ных минералов в щелочной среде.

Главными особенностями современного процесса являются следующие технологические операции:

1. Применение вакуума и вибрации при изготовлении водных суспен­зий и монолитов литейных форм для удаления из них газовых пузырьков, адсорбируемых частицами гипса и поверхностью восковых моделей.

2. Использование технологических добавок, замедляющих схватывание гипса и удлиняющих период текучести формовочных суспензий:

а) в смеси «К-90» – около 2 % Н₃ВО₃·10Н₂О или 0,5 % Na₂B₄O₇;

б) в смеси «Суперкаст» – около 3 % Na₂SiO₃ и H₃BO₃·10H₂O;

в) в смеси «Сатинкаст» – около 1 % Na₂SiO₃ и H₃BO₃·10H₂O.

3. Применение в качестве компенсаторов усадки гипса кристобалита, превращение которого происходит в интервале температур 250–300 °С сопровождается значительным эффектом объемного расширения. К достоинствам импортных формовочных смесей можно отнести технологичность операций формовки, выбивки и очистки отливок. К недостаткам – высокое содержание гипса, имеющего склонность к разложению при температуре 650 °С и выше.

Смесь «К-90» содержит 25 % гипса, 35 % кварца, 40 % кристобалита. Борную кислоту, асбест и силикат натрия используют так же, как упрочняющие добавки. Однако при точном литье по восковым моделям при введении в формовочный материал Na₂SiO₃·9H₂O + H₃BO₃ наблюдается снижение чистоты поверхности.

В нашей стране ВНИИювелирпромом разработана формовочная масса «Ювелирная», состоящая из динаса и гипса. В качестве огнеупорного на­полнителя используют динасовый порошок из динаса сорта ЭД, имеющий по сравнению с другими сортами наименьшее и лимитированное содержание СаО, Fe₂O, наибольшее количество SiO₂ – 96 %. У формовочных смесей из порошка динаса ЭД фракций 0,08 мм, менее 0,08 мм и порошка, не просеянного по фракциям, близкие значения текучести и периода затвердевания (табл. 76).

 

Таблица 76

Технологические параметры формовочных смесей

из динасового порошка различной дисперсности

 

Размер частиц динасового порошка, мм	Текучесть формовочной смеси, мм	Затвердевание, мин
Начало	Конец
0,5
0,2
0,08
< 0,08
Без просева по фракциям

 

П р и м е ч а н и е. Минералогический состав динаса: a-кварц + a-кристобалит + g-тридимит.

 

Технические данные формовочной смеси «Ювелирная» следующие: 80–88 % динаса, 20–12 % гипса, затворитель – вода с ортофосфорной кислотой (до 5 мл на 1 л воды). Количество затворителя на 1 кг порошко­вой части – 380 мл: текучесть по Суттарду – 140 мм; затвердевание, нача­ло (конец) в 14 мин, конец в 24 мин; осыпаемость – 0,27 %.

Для точного литья цветных металлов в формовочных смесях в ка­честве связующего применяют высокопрочный гипс. При гидротермальной обработке гипсового камня насыщенным водяным паром в закрытых аппа­ратах (автоклавах) образуется α-полугидрат (высокопрочный гипс), а в открытых сосудах – β-полугидрат (строительный гипс). При смешивании по­рошкообразного гипса с водой образуется дигидрат CaSO₄·2H₂O – твердое камневидное вещество. Химическая реакция разложения гипса (двуводного сульфата кальция) теоретически протекает при температуре 107 °С:

CaSO₄ · 2H₂O = CaSO₄ · 0,5H₂O + 1,5H₂O

В интервале температур 170–200 °С происходит дальнейшая потеря гипсом кристаллизационной воды, образуется так называемый растворимый ангидрит CaSO₄, активно соединяющийся с водой. При температуре 200–400 °С наблюдается почти полное удаление из гипса кристаллизационной воды. Образуется смесь нерастворимого и растворимого ангидрита. При температуре выше 450 °С гипс переходит в намертво обожженный гипс-ангидрит CaSO₄. При температурах 750–800 °С образуется эстрих-гипс.

После смешивания порошкообразного гипса с водой и образования камневидного тела прочность гипса достигает максимума при высушивании его до постоянной массы. Замедление схватывания гипса может быть до­стигнуто введением гашеной извести (1–2 %), а также борной кислоты (1,0–2,5 %) и других соединений.

В отечественной формовочной смеси «Ювелирная» в качестве огне­упорного наполнителя используется динасовый порошок, полученный уралитовым помолом динасовых кирпичей сорта ЭД. Электродинас имеет ограничение по содержанию СаО и Al₂O₃, наименьшее содержание соединений железа и наибольшее SiO₂ (96 %).