Химия для литья металлов

Литье металлов (литейное производство) – важнейшее направление металлургии и машиностроения, основанное на создании фасонных заготовок/деталей способом размещения металлов в растопленном состоянии в спец. формах, конструкции внутреннего пространства которых обладают очертаниями будущего изделия. Охладившись, металл, который был помещен способом заливки, твердеет, держа в будущем конфигурацию необходимой полости, и получает название отливки. При этом в процессе охлаждения расплавленного сырья материал приобретает важные механические и рабочие свойства.

Такой способ металлообработки позволяет создавать отливки всевозможных конструкций. Вес может варьироваться от граммов до тонн, длина – измеряться хоть в сантиметрах, хоть в метрах, толщина стенок – составлять от 0,5 до 500 мм.

Какие изделия могут быть произведены способом литья? Самые разные: поршни и блоки цилиндров, коленвалы, корпусные элементы и крышки редукторов, шестерни, станины, турбинные лопасти и многое-многое другое.

Какие способы литья существуют? Их также немало, к примеру: в песчаные/оболочковые/металлические формы, жидкоштамповка и литье путем выжимания, по выплавливаемым моделям, путем вакуумного всасывания и под малым давлением, а также центробежное, непрерывное, ЭШЛ и др. На каком из способов лучше остановить выбор, зависит от ряда факторов: от производственных масштабов, требований к четкости геометрии и шершавости поверхности, финансовой выгоды и т.д.

Типы металлолитья

Литейный процесс может быть единичным, серийным и массовым. Какой бы тип не был выбран, процесс все равно будет отличаться трудоемкостью.

Для единичного характерный выпуск всяческих отливок в ограниченных количествах. Не исключено, что изготовление этих деталей может быть в будущем повторено. Здесь, как правило, задействуются ручные методы работы, механизация производства незначительная, как и число используемого оснащения.

Особенность серийного состоит в периодическом выпуске редких или востребованных заготовок. Размер партии может быть как незначительным, так и достаточно большим. Применяются различные методы создания форм. Техника и деятельность литейного цеха также весьма вариативны.

Массовому типу свойственен беспрерывный выпуск какой-либо номенклатуры отливок в значительных объемах. Часто этот вариант можно наблюдать в действии на авто- и тракторных предприятиях. Немаловажные требования к оборудованию: инновационность и высокопроизводительность.

Какая сырьевая база может быть задействована? Это и отдельные технически чистые черные и цветные металлы (железо, сталь, серый и высокопрочный чугун, медь, латунь, бронза, никель, алюминий, магний, титан, цинк, свинец и даже серебро, золото, платина), и их сплавы. Сплавы, кстати говоря, как могут состоять из нескольких металлов, так и быть совокупностью металл + неметалл. Из популярных неметаллических компонентов: углерод, сера, фосфор и бор. Также не исключено и наличие примесей металлической и неметаллической природы, хотя в большинстве случаев их присутствие нежелательно.

В целом, отливки можно создавать из любого металла, но каждому из них свойственны свои литейные особенности. К примеру, разной является жидкотекучесть – способность максимально заполнять форму, не зависимо от ее конфигурации. На литейные характеристики влияют, прежде всего, хим. состав и структура рабочего материала. Нельзя не учитывать здесь и температурный режим плавления: чем он ниже, тем литье осуществляется легче.

Выбрать подходящее сырье для тех или иных деталей часто бывает сложно, ведь учесть все нюансы практически невозможно. Однако, если хорошо разбираться в свойствах металлов, достичь положительного результата будет намного легче.

Что нужно знать о свойствах материалов, применяемых для литья? Во-первых, то, что при изготовлении более простых изделий к металлам/сплавам предъявляются не слишком высокие требования. Если необходимо создавать изделия с тонкими стенками, изощренными формами, увеличенными параметрами, да еще и дефекты нежелательны, то свойства сырья (хорошая жидкотекучесть, минимальная усадка, незначительные тенденции к трещинообразованию, склонность к поглощению и формированию газораковин, ячеистость и т.д.) должны быть учтены по максимуму.

Все свойства металлов делятся на 4 группы:

1. Физические (плотность, t плавления, тепло- и электропроводность, а также тепловое расширение). Обнаруживаются там, где не наблюдаются трансформации хим. состава материала.
2. Механические (твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность). Обуславливают способность металла, а точнее отливки, созданной из него, удерживать разного рода нагрузки или проявлять сопротивление к истиранию в процессе эксплуатации.
3. Технологические. Определяют, как будут реагировать металлы на разные методы обработки. К таким свойствам принадлежат следующие: ковкость и свариваемость, жидкотекучесть и прокаливаемость, а также обрабатываемость путем резания.
4. Химические. Объясняют отношение (способность к сопротивлению) металлов к хим. влиянию разных сред. Это, прежде всего, стойкость к окислению и коррозионному воздействию.

Как определить состояние отливки и обнаружить дефекты? Наружные изъяны можно выявить путем осмотра после изъятия детали из формы и ее очистки. Для внутренних необходимо задействовать либо радиографическую, либо ультразвуковую дефектоскопию. Первая действует при помощи рентгеновского или гамма-излучения и, таким образом, позволяет определить параметры и глубину нахождения дефекта. Вторая работает по иному принципу: ультразвук попадает внутрь отливки и отражается при достижении брака. Интенсивность такого отражения и дает информацию о размере и глубине дефекта.

Для выявления трещин могут быть применены: люминесцентный контроль, магнитная/цветная дефектоскопия.

Химия для литейного производства

Сегодня ни одна сфера промышленности не обходится без применения химических веществ, литейное производство – не исключение. Здесь без химии не обойтись, поскольку разные материалы способствуют выполнению широкого спектра производственных и функциональных задач: достижению точности заготовок, обеспечению высокого качества поверхности, легкому их отделению от форм, повышению производительности, стабильности сохранности форм и т.д. Давайте разберемся в этом вопросе на примере и рассмотрим несколько важных в данном сегменте промышленности химических компонентов.

Жидкое стекло. Применяется, главным образом, как связующее в литьевых формах и стержнях, если работа ведется с разовыми конструкциями (единичное и мелкосерийное направления). Также может быть задействовано при создании антипригарных красящих составов и при литье по выплавляемым моделям. Использование данного материала в рассматриваемой отрасли целесообразно не только из-за его функционализма, но и ввиду отсутствия токсичного влияния, доступности и возможности достигать необходимые техносвойства литьевых форм и стержней. Главное достоинство жидкостекольной смеси заключается в упрочнении ее стыковки с оснащением при комнатной t.

Жидкое стекло – это водный раствор щелочных силикатных веществ. Если берутся натриевые силикаты, то такое стекло именуется натриевым, если калиевые – калиевым. Первое в литье находит большее распространение, поскольку цена и дефицит его более низкие, по сравнению со вторым.

Оценка жидкого стекла происходит по модулю и плотности. Модуль, как правило, составляет 2-3,1. Стоит учитывать, что чем выше модуль, тем значительнее и полимеризация, и темпы затвердения. Так высокий модуль нежелателен: из-за него живучесть смеси может быть уменьшенной, прочность будет ускоренно нарастать в начальный период, но через какое-то время начнет снижаться. Если возникнет потребность понизить модуль, берите добавку гидроксид натрия.

Выбор параметров жидкого стекла зависит от формовочных совокупностей:

- для жидкоподвижных и самотвердеющих лучше подойдет высокомодульное ЖС с модулем 2,7-3 и более, плотностью 1400-1420 кг/м³;

- для стержнесмесей с затвердением посредством углекислого газа – с модулем 2,5-2,7 и плотностью 1480-1520 кг/м³;

- для формовочных типа ФБС – с модулем 2,15-2,3, удельным весом 1480-1520 кг/м³.

Канифоль. Это хрупкий, похожий на стекло материал, который состоит из смоляных кислот и их изомеров. В литейном деле выступает связующим, повышающим прочность. Кроме того, помогает уменьшить расход растительного масла. В модельных составах применяется, прежде всего, сосновая канифоль 1-го и 2-го сортов и не самостоятельно, а вместе с парафином, воском или прочими материалами с подобными свойствами.

Борная кислота. Еще одна связка, применяемая при кислой футеровке печей. К тому же, защищает струи расплавленных магниевых сплавов от окисления.

Поливиниловый спирт. Это растворимый в водной среде полимер с клеящей способностью. Компонент связующего, которое задействуется при литье по моделям, которые выплавляются. Дарит возможность решить такую проблему, как малая прочность оболочковой формы. Кроме того, улучшает качество формы и срок годности рабочего материала.

Парафин. Пластичная недорогая и недефицитная смесь алканов. Применяется для изготовления литейных моделей очень часто. При этом могут быть использованы разные виды данного материала: очищенный технический, высокоплавкий глубокообезмасленный (для увеличения стойкости к теплу и прочности), спичечный (для придания повышенной пластичности). Но поскольку у парафина наряду с плюсами есть и минусы (хрупкость, малая прочность, склонность к появлению пены и формированию усадочных раковин, размягчение при t примерно 30 °С), его преимущественно задействуют совместно с иными добавками.

Церезин. Углеводородная смесь метанового ряда. Этому материалу свойственны увеличенные пластичностью и устойчивость к теплу. Он, если сравнивать с парафином, имеет повышенную t начала размягчения, меньшую склонность к деформациям. Но, вместе с тем, ему характерны и высокая линейная усадка (до 1,1 %), незначительные прочность и твердость. В литейной отрасли более активно задействуют тугоплавкий церезин синтетической природы.

Стеарин. Является совокупностью твердых жирных кислот, основная из которых – стеариновая кислота. В литье задействуют обычно очищенный стеарин 1-го и 2-го сортов. Ввиду ряда недостатков (появление поверхностных дефектов на отливках, омыление при выплавливании в горячей воде, достаточно большая стоимость и отсутствие в широкой продаже), его предпочитают заменять смесями парафин + церезин или другими.

Карбамид. Кристаллическая масса, отлично растворяющаяся в водной среде. Этот  реактив примечателен при введении в литейные составы следующим: плавление при t 129-134 °С, значительная жидкотекучесть в растопленном виде, а поэтому и хорошее заполнение форменных полостей без использования давления. Мочевина оперативно остывает в пресс-форме, формируя крепкую и точную (благодаря небольшой усадке) модель, поверхность которой получается гладкой. Очень ценно то, что данное соединение нагреваясь не имеет порога размягчения, поэтому исключена деформация карбамидовых стержней при t до 100 °С.

Для тех или иных задач в литейном деле могут быть применены и такие химические вещества, как: селитра кальциевая, этилсиликат, хлорид бария, поташ, фторид натрия, нитрат натрия и нитрат калия, полистирол, полиэтилен, этилцеллюлоза, уротропин и др.

Реактивы литейного производства

Важная часть литейного производства – реактивы. Что и для чего может понадобиться, зависит от обрабатываемого металла/сплава и, непосредственно, от способа литья. Как правило, хим. реагентами выступают металлы (титан, ванадий, цирконий и др.) и неметаллы (бор, углерод, углеродистый кальций, цианамид кальция…). При работе с черными металлами могут понадобиться соляная, серная, фосфорная и плавиковая кислоты. Для обработки отливок из чугуна и цветных металлов способом фасонного литья с задействованием ХТС берут газообразные реагенты. Если работы ведутся с драгоценными металлами, то здесь не обойтись, к примеру, без хлорного золота для опробования отливок.

Помните: лучшие реактивы для литья – это химически чистые реактивы. При их покупке необходимо проконсультироваться с производителем/поставщиком, уточнив все нужные вопросы.

Химия для литья металлов – очень важный участник производственного процесса. Она не только влияет на работу, но и в ряде случаев определяет качество конечного продукта, его свойства, практичность, долговечность и т.д.

Чтобы выбор химических веществ и реактивов не стал для вас проблемой и не принес лишние трудности, обратитесь к нашим специалистам. Расскажем все, что нужно знать об этих материалах для достижения максимально желаемого результата при применении, и поможем с поставками нужных химикатов!