А ведь дать воздуху, находящемуся в полостях формы, выйти через специальные каналы — это полдела. Надо еще что-то делать с газами, которые образуются при заливке формы металлом. Вот про это-то мы и не знали — видимо, именно эти газы и водяные пары и портили наши отливки, придавая им очень корявый вид. Это мне рассказали уже здесь, да и я потом вспомнил прочитанное еще в моей истории, как немцы попытались наладить производство печек-буржуек на Таганрогском металлургическом заводе. Так наши рабочие стали очень сильно уплотнять формовочную смесь, газы не находили выхода, и металл получался рваным. Немцы пытались было обвинить наших в саботаже, но те все делали как надо — ну, внешне — знающих у фрицев по рукой не нашлось. Так что борьба с газами при отливке — возможно, самое наипервейшее дело.
А газов может образоваться немало. Ведь расплавленный металл — очень горячая штука, от нее испаряется влага, находящаяся в стенках формы, с образованием пара, металл нагревает до высоких температур органические частицы, находящиеся в материале формы, так что они начинают соединяться с кислородом — попросту — сгорать, образуя углекислый газ, а находящиеся в материалах формы карбонаты кальция и магния своим разложением от того же горячего металла лишь поддают еще больше газку. И все это создает в форме внутристенное давление, которое давит в том числе и на еще не застывший металл. Пока на его поверхности не появится корка, газы прорываются внутрь жидкого металла и проходят сквозь него — тот кипит пузырями, да еще не все успевают выйти до застывания наружных слоев — и тогда появляются внутренние раковины. Да и после начала образования корки эти газы давят на нее, и даже если уже не могут ее продавить, то все-равно оставляют на ее поверхности наружные раковины, а если стенки литейной формы недостаточно крепкие, то газ вдавливает в металл частицы материала, из которого сложена форма — появляются так называемые плены, или, по-другому — ужимины — врастания материала формы в металл.
Правда, образующиеся газы могут быть и полезны — когда на поверхности металла образуется корка, газы давят на нее и поверхностный слой становится плотнее и прочнее. Только надо, чтобы газы начали образовываться именно после появления этой корки. Этому способствуют графит и трудоновоспламеняющиеся угли, которые либо подмешивают в формовочную смесь, либо наносят на внутренние поверхности формы — после подачи расплавленного металла они загораются не сразу, соответственно, газы появляются с задержкой. А вот если в материале формы будут присутствовать легковоспламенимые вещества — угли такого типа, краска подобного состава, да и вообще любая органика, которая легко загорается — вот тогда газы однозначно вредны. От таких материалов надо избавляться. А уж если не получается — ну нет нормальных материалов! — то применяют разные законы физики, вплоть до того, что прикрывают газовые каналы — воздух остается в форме, давление повышается и не дает газам идти через металл, вытесняя их вглубь массива формы. Особенно это актуально для легких сплавов алюминия — если само по себе тяжелое железо зачастую может сопротивляться газам своим внутренним давлением, то давления более легкого алюминия может просто не хватить для удержания давления газов.
Но воздействие газов на металл не заканчивается только физикой. Газы мало того что образуют давление, они ведь могут и распадаться, меняя химический состав металла. Те же пар и углекислый газ могут распасться — и тогда в металле появятся лишние кислород, водород и углерод, которые поменяют состав металла в незапланированную сторону.
Материал формы также воздействует на металл, причем не только выделением газа. Так, если он начнет расплавляться под действием горячего металла, размягченные частицы формовочной смеси привариваются к поверхности отливки — появляется термический пригар. И, хотя основные составляющие формовочных смесей — песок и глина — довольно огнеупорны, большое влияние на способность противостоять жару металла оказывают примеси, которые находятся в глине и песке. Например, окислы калия или натрия вкупе с кальцием понижают температуру плавления кварца — грубо говоря, образуют стекольные смеси, которые и расплавляются. Так что если в песке или глине содержатся примеси слюды или полевого шпата — получение качественной поверхности отливки будет проблематичным — либо надо применять другую смесь, либо быть готовым к существенной мехобработке поверхности.
Но даже если в округе отсутствуют чистые формовочные смеси и приходится использовать загрязненные примесями материалы, их недостатки можно скомпенсировать разными способами. Так, расплавления можно избежать отливкой в довольно влажную форму — испаряющаяся влага быстро остужает металл, соприкасающийся со стенками формы, так что его температуры уже недостаточно для расплавления частиц формовочной смеси, да и образующаяся корка успешно противостоит привариванию частиц. Главное, чтобы сама поверхность все-таки не содержала много влаги — иначе пар начнет не только охлаждать, но и корежить металл. А так — сначала своим испарением чуть в глубине формы вода остужает металл, и когда пар все-таки добирается до поверхности формы — он встречает уже прочную корку металла, через которую проникнуть неспособен — остается идти только в обратную сторону — через весь массив формы, к ее стенкам.
Можно управлять процессом пригорания и по-другому — делать более теплопроводные формовочные смеси — например, добавкой ферросилиция — тогда тепло быстрее отходит от внутренних стенок формы — и частицы также не расплавляются. Этот же прием используют и для управления кристаллизацией отливок. Мы — правда, по другому — также применяли управляемую кристаллизацию, например, для отливки колец ДВС — кольца отливались в металлическую форму, в которой внешняя стенка охлаждалась водой — застывание металла шло от внешней стенки, соответственно, кристаллы выстраивались по направлению к ней — износостойкость колец возрастала в несколько раз.
А ведь примеси могут и вступать с металлом в химические реакции, и тогда на поверхности появляется химический пригар. Так, если в формовочной смеси окажутся сульфиды или сульфаты — например, гипс — то, прореагировав с горячим железом, они образуют на нем корку сульфида железа. Да и легирующие добавки металла — те еще штучки. Так, марганец может окислиться, а закись марганца легко реагирует с кварцем — образуются силикаты марганца. Поэтому такие стали, а особенно стали с высоким содержанием марганца — как ту же сталь Гатфильда, использовавшуюся на гусеничных траках — надо отливать в формовочные смеси, в которых не используется песок, а, например, измельченный магнезит. Да и с другими окислами — например, с окислами железа — кварц охотно реагирует с образованием силикатов, а ведь окислы железа могут присутствовать и в материалах формовочной смеси. Но и отсутствие магнезита можно компенсировать хитрыми ходами — добавлять противопригарные добавки — например, уголь, торф или мазут. Под действием высокой температуры их углерод сгорает, то есть соединяется с присутствующим кислородом, и, соответственно, металлам уже будет не с чем соединяться — окислы не образуются, кремнию будет не с кем реагировать. На каждое действие найдется противодействие. Так порой в формовочную смесь добавляют даже масло, солому, опилки, а поверхность могут покрыть органической краской — все эти материалы, сгорая, и дадут необходимый углерод. Причем если крупнокусковые материалы — типа соломы или торфа — добавляют во всю массу, то красками, графитом или мазутом могут покрыть только поверхность формы — это мало того что даст углерод, так еще защитит металл от соприкосновения с другими материалами формовочной смеси. Защитит в самый ответственный момент — до образования корки, когда в основном и случаются всякие пригары и ужимины. Защитит в том числе и пропитав поверхностный слой формы — сделает его крепче, меньше кусков от нее отвалится при отливке и пришкварится к металлу. А если в краску добавить огнеупорные вещества типа талька или растертого шамота, то это придаст дополнительной огнеупорности самой форме — и тогда можно применить и более грязные материалы основной формы.
В общем — все зависит от исходных материалов — есть чистые и подходящие — отлично, нет — повозимся с присадками и замазками. Правда, смазывать красками узкие сечения нельзя — сталь не смачивает краску, и в этих местах возможны неслития металла. Ну да со сложными отливками всегда была отдельная морока. Так, для них очень важна теплопроводность материала формы, иначе быстрый и неравномерный прогрев может просто покорежить форму, и отливка выйдет кривобокой.
Но и основные наполнители формы — глина и песок, ну или магнезит для отливок ряда сплавов — тоже бывают разными. Песок дает газопроницаемость, а глина — скрепление, причем зачастую они замешаны в одной и той же породе, только в разных пропорциях — чистых материалов, состоящих только из одного минерала, в природе пожалуй что и не найдешь. Тощие пески — это пески, в которых глинистых составляющих не более десяти процентов (определяется отмучиванием). Это самый желаемый литейщиками песок — ведь с его помощью можно наиболее точно управлять параметрами литья. Так, чем крупнее зерна такого песка, тем выше газопроницаемость смеси. Песок, оставляющий на ситах с размером отверстий примерно полмиллиметра не менее двух третей своих частиц — очень газопроницаемый — 350-450, а пески, которые две трети оставляют на ситах с размером отверстий меньше десятой миллиметра — имеют невысокую газопроницаемость — порядка 20. Для полужирных, жирных, особо жирных песков с содержанием глины от 10 до 50 процентов газопроницаемость не нормируется — ее измеряют перед непосредственным использованием и вносят коррективы либо в состав формовочной смеси либо в порядок литья — то ли меньше сушить, чтобы металл, остужаемый оставшейся влагой, быстрее покрылся коркой, то ли при отливке прикрыть газовыпускные каналы, чтобы повысить внутри давление и тем самым пропихнуть излишки газов через форму, чтобы они не разрушали образующуюся корку металла и не проходили через сам металл. Важна и форма зерен песка — остроугольная форма дает лучшее сцепление, но снижает газопроницаемость.
Но окончательно газопроницаемость формируется при сушке. Глина, как связующий материал, в мокром состоянии — довольно липкая штука, а в сухом состоянии становится не только твердой, но и пропускающей газы. Цель смешивания — смазать все песчинки глиной, чтобы между ними возникли мостики. Причем сразу после смешивания внутреннее пространство между зернами заполнено в основном набухшей глиной — газопропускная способность невысокая. При сушке же глина теряет влагу, соответственно объем сухой глины меньше по сравнению с влажной — влага-то испарилась, полностью или частично, соответственно, занимаемый ею ранее объем освободился — образуется усадка, и между песчинками появляются поры и каналы — газопроницаемость повышается.
Количество глины и степень просушки формы зависит от вида литья и веса отливки. Для чугунного литья, если отливка выполняется в сырую — то есть не до конца или вообще не просушенную форму, то там глины можно и поменьше — до десяти процентов, а при отливках от двух тонн — до двенадцати. Сухие формы применяются для крупных отливок — от десяти тонн и выше. Там уже требуется до двадцати процентов глины, так как в сухом состоянии она обладает меньшей связуемостью, и кроме того сама по себе форма таких объемов требует более высокой крепкости формовочной смеси. Это для чугунного литья, которое выполняется при меньших температурах, чем стальное, соответственно и требования к газопропускной способности форм ниже. Стальное литье выполняется в сырые формы только для отливок весом до полутонны — все остальные — в полусухие или сухие формы. Причем требования по газопропускной способности выше чуть ли не в три раза, чем для чугунного литья — температура плавления стали выше, чем у чугуна, к тому же сталь менее текуча, чем чугун, и для повышения текучести ее порой приходится сильно перегревать — все это приводит к высоким температурам в форме и соответственно повышенному газообразованию.
Но и глина глине — рознь. Так, если глина имеет низкую температуру дегидратации, то есть очень легко отдает воду, то после сушки такие смеси могут просто осыпаться. В этом случае нужна либо другая глина, либо необходимо добавлять краски, мазут — чем можно было бы скрепить частицы песка помимо глины. Преобладающий размер частиц глины тоже имеет большую важность — так, наибольшую твердость дают глины с повышенным содержанием частиц меньше одного микрометра. И вообще, глины обладают разной связующей прочностью. Соответственно, малосвязующие глины с одного месторождения могут быть пригодны для небольших отливок, а вот для крупных отливок потребуются, например, прочносвязующие во влажном, а то и прочносвязующие в сухом состоянии (марки так и называются — ПВ, ПС) глины с других месторождений. Ну или снова — краски и мазут. Важно и количество примесей в глине — увеличение содержания в глине оксидов кальция и магния с полутора до двух процентов снижает огнеупорность глины с 1600 до 1350 градусов.
Причем даже на одном месторождении разные участки могли давать глины и пески разного состава, более того — один участок мог содержать прослойки разного состава. И все это надо было отслеживать. Так что наличие лабораторий при литейках на местных заводах было вовсе не прихотью, а самой насущной необходимостью — что там за глину с песком привезли ? можно ли ее вообще использовать для литья ? а если можно — какие присадки потребуется ввести, чтобы не возникало проблем ? "На эти и другие вопросы" и отвечали заводские химлаборатории.
ГЛАВА 22.
Вообще, литейная форма как правило состоит из самой формы, задающей внешние обводы отливаемого изделия, и так называемых стержней, которые формируют в изделии различные полости. Причем название "стержень" — очень условно. Это может быть и действительно стержень — длинная круглая палка, которая сформирует канал внутри изделия, а могут быть и разные изогнутые загогулины, почти в точности повторяющие внешние обводы формы, только чуть меньше размером — например, внутренний объем печек или чугунных горшков. Причем, если внешняя часть может опираться на какие-то стенки и имеет развитые поверхности, связанные с окружающим воздухом, то стержни в этом плане работают в гораздо более напряженных условиях — они со всех сторон окружены расплавленным металлом, не могут опереться непосредственно на стенки опоки всей поверхностью, а только отдельными участками, поэтому и делают их более крепкими, для чего в формовочную массу стержней гораздо чаще замешивают помимо глины дополнительные связующие материалы, которые имеют разную природу скрепления смеси.
Так, масла и жиры при сушке полимеризуются, и получающаяся пленка обволакивают зерна песка. Мы в этом качестве применяли льняное масло, как самое доступное. Добавление канифоли увеличивает податливость стержня при усадке отливки, когда она застывает — то есть стержень меньше сопротивляется подвижкам застывающего металла и, соответственно, возрастает вероятность получения отливки запланированного размера и без дефектов — в противном случае материал стержня сопротивлением какой-то своей части может и покорежить застывающую деталь. Были тут и запасы рематола — минерального масла, переработанного хлорированием, от которого затем отщепили хлор, после чего получалось непредельное химическое соединение, способное к полимеризации. Но эти запасы вскоре иссякнут. Вот продукт под названием "крепитель М" мы, в принципе, могли изготавливать и сами — это результат конденсации мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина как катализатора. Все эти вещества тут выделывали на местных заводах лесохимии — мочевина — это аммиак и углекислый газ при температуре 140 градусов и давлении в 200 атмосфер, формальдегид — результат окисления метанола — то есть метилового спирта, выгоняемого из древесины или торфа — с использованием серебряного катализатора при 650 градусах и атмосферном давлении, ну а уротропин — это аммиак плюс формальдегид — реакцию открыл Бутлеров еще в 1859м году. Названо вещество так потому, что еще с конца 19го века используется как лекарство для лечения мочевыводящих путей, а позднее стало применяться еще и как сухое горючее — белые таблетки диаметром три сантиметра и толщиной сантиметр — отличное средство для розжига костров или разогрева пищи нашим ДРГшникам, а позднее мы нашли ему еще одно очень полезное в военном деле применение.
