Хімія для лиття металів

Лиття металів (ливарне виробництво) – надважливий напрям металургії та машинобудування, оснований на створенні фасонних заготовок/деталей способом поміщення металів у розплавленому стані у спеціальні форми, конструкції внутрішнього простору яких мають вигляд майбутнього виробу. Остудившись, метал, який був залитий, твердне, зберігаючи надалі конфігурацію необхідної порожнини, і отримує назву відливки. При цьому в процесі охолодження розплавленої сировини матеріал набуває важливих механічних та робочих властивостей.

Такий спосіб металообробки дозволяє створювати відливки різноманітних конструкцій. Вага може варіюватися від грамів до тонн, довжина – вимірюватися хоч в сантиметрах, хоч в метрах, товщина стінок – становити від 0,5 до 500 мм.

Які вироби можуть бути зроблені способом лиття? Найрізноманітніші: поршні і блоки циліндрів, колінчаті вали, корпусні елементи та кришки редукторів, шестерні, станини, турбінні лопаті й багато-багато іншого.

Які способи лиття існують? Їх також чимало, наприклад: у піщані/оболонкові/металеві форми, рідке штампування і лиття шляхом вичавлювання, по виплавлюваних моделях, шляхом вакуумного всмоктування і під низьким тиском, а також відцентрове, безперервне, електрошлакове та ін. На якому із способів найкраще зупинити вибір, залежить від низки факторів: від виробничих обсягів, вимог до точності геометрії та шорсткості поверхні, економічної вигоди тощо.

Типи металолиття

Ливарне виробництво може бути одиничним, серійним і масовим. Який би тип не був вибраний, процес все одно буде відзначатися трудомісткістю.

Для одиничного характерний випуск різних відливок в обмежених кількостях. Не є винятком те, що виготовлення цих деталей може бути в майбутньому повторене. Тут, як правило, задіюються ручні методи роботи, механізація виробництва незначна, як і перелік використовуваного оснащення.

Особливість серійного полягає в періодичному випуску рідкісних або популярних заготовок. Розмір партії може бути як незначним, так і досить великим. Застосовуються різні методи створення форм. Техніка та діяльність ливарного цеху також дуже варіативні.

Масовому типу властивий безперервний випуск будь-якої номенклатури відливок у значних обсягах. Часто цей варіант можна спостерігати в дії на авто- і тракторних підприємствах. Важливі вимоги до обладнання: інноваційність та високопродуктивність.

Яка сировинна база може бути задіяна? Це і окремі технічно чисті чорні й кольорові метали (залізо, сталь, сірий і високоміцний чавун, мідь, латунь, бронза, нікель, алюміній, магній, титан, цинк, свинець і навіть срібло, золото, платина), і їх сплави. Сплави, до речі, як можуть складатися з декількох металів, так і бути поєднанням метал + неметал. З популярних неметалічних компонентів: вуглець, сірка, фосфор і бор. Також не виняток – наявність домішок металевої і неметалевої природи, хоча в більшості випадків їх присутність небажана.

Загалом, відливки можна створювати з будь-якого металу, але кожному з них властиві свої ливарні особливості. Наприклад, різною є рідкоплинність – здатність максимально заповнювати форму, не залежно від її конфігурації. На ливарні характеристики впливають, передусім, хімічний склад і структура робочого матеріалу. Не можна не враховувати тут і температурний режим плавлення: чим він нижчий, тим лиття здійснюється легше.

Вибрати сировину, яка якнайкраще підійде для тих чи інших деталей, часто буває складно, адже врахувати всі нюанси практично неможливо. Однак, якщо добре розбиратися у властивостях металів, досягти позитивного результату буде набагато легше.

Що потрібно знати про властивості матеріалів, які застосовуються для лиття? По-перше, те, що при виготовленні простіших виробів до металів/сплавів висуваються не надто високі вимоги. Якщо необхідно створювати вироби з тонкими стінками, складними формами, дуже великих розмірів, та ще й дефекти небажані, то властивості сировини (висока рідкоплинність, мала усадка, незначні тенденції до утворення тріщин, схильність поглинати і формувати газові раковини, пористість та ін.) повинні бути враховані максимально.

Всі властивості металів поділяються на 4 групи:

1. Фізичні (густина, t плавлення, тепло- та електропровідність, а також теплове розширення). Виявляються там, де не спостерігаються трансформації хімічного складу речовини.
2. Механічні (твердість, міцність, в’язкість, пружність і пластичність). Обумовлюють здатність металу, а точніше відливки, виготовленої з нього, витримувати різного роду навантаження або проявляти опір до стирання в процесі експлуатації.
3. Технологічні. Визначають, як будуть реагувати метали на різні методи обробки. До таких властивостей належать гнучкість і зварюваність, рідкоплинність і прожарювання, а також оброблюваність шляхом різання.
4. Хімічні. Пояснюють відношення (здатність до опору) металів до хімічного впливу різних середовищ. Це, перш за все, стійкість до окислення та корозійного впливу.

Як визначити стан відливки і виявити дефекти? Зовнішні недоліки можна виявити шляхом огляду після вилучення деталі з форми і її очищення. Для внутрішніх необхідно задіяти або радіографічну, або ультразвукову дефектоскопію. Перша діє за допомогою рентгенівського або гамма-випромінювання і, таким чином, дозволяє визначити параметри й глибину перебування дефекту. Друга працює за іншим принципом: ультразвук потрапляє всередину відливки і відбивається при досягненні недоліку. Інтенсивність такого відбиття і дає інформацію про розмір та глибину дефекту.

Для виявлення тріщин можуть бути застосовані: люмінесцентний контроль, магнітна/кольорова дефектоскопія.

Хімія для ливарного виробництва

Сьогодні жодна сфера промисловості не обходиться без застосування хімічних речовин, ливарне виробництво – не виняток. Тут без хімії не обійтися, оскільки різні матеріали сприяють виконанню широкого спектру виробничих і функціональних завдань: досягненню точності заготовок, забезпеченню високої якості поверхні, легкому їх відокремленню від форм, підвищенню продуктивності, стабільності збереження форм і т.д. Розберімося в цьому питанні на прикладі й розглянемо кілька важливих у зазначеному сегменті промисловості хімічних компонентів.

Рідке скло. Застосовується, головним чином, як сполучник у формах і стрижнях для лиття, якщо робота ведеться з разовими формами (одиничне і дрібносерійне виготовлення). Також може бути задіяне при створенні антипригарних фарб і для лиття за моделями, що виплавляються. Використання рідкого скла в литті доцільно не тільки через його функціоналізм, а й з огляду на відсутність токсичного впливу, доступність та можливість досягати необхідних технологічних властивостей форм і стрижнів для лиття. Головне достоїнство рідкоскляної суміші полягає в зміцненні її стикування з оснащенням при кімнатній t.

Рідке скло – це водний розчин лужних силікатів. Якщо беруться натрієві силікати, то таке скло іменується натрієвим, якщо калієві – калієвим. Перше в литті більш поширене, оскільки ціна і дефіцит його нижчі, порівняно з другим.

Оцінка рідкого скла відбувається за модулем і густиною. Модуль, як правило, становить 2-3,1. Варто враховувати, що чим вищим є модуль, тим більша і полімеризація, і темпи затвердіння. Так високий модуль небажаний: через нього живучість суміші може бути зменшеною, міцність буде прискорено наростати в початковий період, але через якийсь час почне знижуватися. Якщо виникне потреба знизити модуль рідкого скла, використовуйте добавку натрій гідроксид.

Вибір параметрів рідкого скла залежить від формувальних сумішей:

- для рідкорухомих і самотвердних краще підійде високомодульне рідке скло з модулем 2,7-3 і більше, густиною 1400-1420 кг/м³;

- для стержневих сумішей із затвердінням за допомогою вуглекислого газу – з модулем 2,5-2,7 і густиною 1480-1520 кг/м³;

- для формувальних типу ФБС – з модулем 2,15-2,3, питомою вагою 1480-1520 кг/м³.

Каніфоль. Це крихкий, схожий на скло матеріал, що складається зі смоляних кислот і їх ізомерів. У ливарній справі виступає зв’язкою, що підвищує міцність. Також допомагає зменшити витрати рослинної олії. У модельних складах застосовується, зазвичай, соснова каніфоль 1-го і 2-го сортів і не самостійно, а разом з парафіном, церезином або іншими матеріалами з подібними властивостями.

Борна кислота. Ще одна зв’язка, що застосовується при кислому футеруванні печей. Крім того, захищає струмені розплавлених магнієвих сплавів від окислення.

Полівініловий спирт. Це розчинний у воді полімер зі склеювальною здатністю. Компонент сполучного, який задіюється при литті за виплавлюваними моделями. Дозволяє вирішити таку проблему, як мала міцність оболонкової форми. Крім того, поліпшує якість форми і термін придатності робочого матеріалу.

Парафін. Пластична недорога і недефіцитна суміш алканів. Застосовується для виготовлення ливарних моделей дуже часто. При цьому можуть бути використані різні види цього матеріалу: очищений технічний, високоплавкий з незначним вмістом олій (для підвищення стійкості до тепла та міцності), сірниковий (для надання підвищеної пластичності). Але оскільки у парафіну поряд із плюсами є й мінуси (крихкість, мала міцність, схильність до спінення й формування усадочних раковин, розм’якшення при t приблизно 30 °С), його переважно задіюють спільно з іншими матеріалами.

Церезин. Вуглеводнева суміш метанового ряду. Цьому матеріалу властиві збільшені пластичність та стійкість до тепла. Він, у порівнянні з парафіном, має підвищену t початку розм’якшення, меншу схильність до деформацій. Але, разом з тим, йому притаманні і висока лінійна усадка (до 1,1 %), незначні міцність й твердість. У ливарній галузі найбільш часто використовують більш тугоплавкий церезин синтетичної природи.

Стеарин. Є сукупністю твердих жирних кислот, основна з яких – стеаринова кислота. В литті задіюють зазвичай дистильований стеарин 1-го і 2-го сортів. Через певні недоліки (поява поверхневих дефектів на відливках, омилення при виплавлянні в гарячій воді, досить велика вартість та дефіцитність) його вважають за краще замінювати сумішами парафін + церезин або іншими.

Карбамід. Кристалічна маса, добре розчинна у воді. Цей реактив примітний при введенні в ливарні матеріали таким: плавлення при t 129-134 °С, значна рідкоплинність у розплавленому вигляді, а відтак і добре заповнення формених порожнин без використання тиску. Сечовина оперативно остигає в прес-формі, формуючи міцну і точну (завдяки невеликій усадці) модель, поверхня якої виходить гладкою. Дуже цінно те, що ця сполука нагріваючись не має стадії розм’якшення, тому унеможливлена деформація карбамідових стрижнів при t до 100 °С.

Для тих чи інших завдань у ливарній справі можуть бути застосовані і такі хімічні речовини, як: селітра кальцієва, етилсилікат, хлорид барію, поташ, фторид натрію, нітрат натрію і нітрат калію, полістирол, поліетилен, етилцелюлоза, уротропін та інші.

Реактиви ливарного виробництва

Важлива частина ливарного виробництва – реактиви. Що і для чого може знадобитися, залежить від оброблюваного металу/сплаву і, безпосередньо, від способу лиття. Як правило, хімічними реагентами виступають метали (титан, ванадій, цирконій та ін.) і неметали (бор, вуглець, вуглецевий кальцій, ціанамід кальцію...). При роботі з чорними металами можуть знадобитися соляна, сірчана, фосфорна і плавикова кислоти. Для обробки відливок з чавуну і кольорових металів способом фасонного лиття із задіянням ХТС беруть газоподібні реагенти. Якщо роботи ведуться з дорогоцінними металами, то тут не обійтися, наприклад, без хлорного золота для випробування відливок.

Пам’ятайте: найкращі реактиви для лиття – це хімічно чисті реактиви. При їх закупівлі необхідно проконсультуватися з виробником/постачальником, уточнивши всі потрібні питання.

Хімія для лиття металів – дуже важливий учасник виробничого процесу. Вона не тільки впливає на роботу, але й в певних випадках визначає якість кінцевого продукту, його властивості, практичність, довговічність тощо.

Щоб вибір хімічних речовин і реактивів не став для вас проблемою і не приніс зайвих труднощів, зверніться до наших фахівців. Розповімо все, що потрібно знати про ці матеріали для досягнення максимально бажаного результату при застосуванні, і допоможемо з поставками потрібних хімікатів!