Пепел кости против графитовой пыли для смазки форм для цветных металлов

Бронзовая литейная мастерская в Юго-Восточной Азии перешла от костной пыли к более дешевому графитовому порошку в качестве разделительного средства для песчаной литья, ожидая, что эти два материала будут взаимозаменяемы по своим свойствам. Графит был примерно на 30% дешевле за килограмм, и менеджер по закупкам видел, что он успешно используется в железных литейных мастерских. В течение первой недели после перехода дошка брака от брака наружного покрытия отливок выросла с примерно 1,5% до почти 6%.

Проблема заключалась в том, что графит, будучи эффективным разделительным средством для черных металлов, вступал в реакцию с содержанием цинка в бронзе при температуре заливки, образуя тонкий цинк-углеродный слой на поверхности отливки, который после механической обработки выглядел как тусклый, шероховатый участок. Литье вернулось к использованию костной пыли, и дошка брака вернулась к нормальному уровню. Этот случай показывает, почему выбор разделительного материала для цветных металлов требует понимания того, как каждый кандидат на роль разделительного материала взаимодействует с конкретным сплавом, а не только того, предоставляет ли он барьер между металлом и формой.

1. Как каждый материал обеспечивает отделение

Костный пепел действует как физический барьерный разделительный агент. При нанесении на поверхность формы мелкие частицы заполняют пористость поверхности и создают непрерывный, не смачивающий слой между материалом формы и расплавленным металлом. Фосфат кальция в костном пепле химически стабилен при температурах разливки цветных металлов и не реагирует с сплавами меди, алюминия или цинка при нормальных условиях литья. Действие разделения чисто механическое: покрытие предотвращает контакт металла с формой, и хрупкая природа слоя костного пепла позволяет ему ровно отслаиваться при извлечении отливки.

Графитовый порошок действует за счет сочетания физического барьера и химического смазочного механизма. Графит имеет слоистую кристаллическую структуру, в которой связи между слоями слабые, что позволяет слоям скользить друг относительно друга при сдвиге. Эта характеристика, сочетающаяся с высокой термической стабильностью графита, делает его эффективным разделительным агентом для черных металлов, особенно при литье чугуна и стали, когда температуры разливки могут превышать 1400 градусов Цельсия. Однако графит может участвовать в химических реакциях с определенными цветными металлами при повышенных температурах, что ограничивает его применение при литье медных сплавов и алюминия.

2. Сравнение термической стабильности

И костный пепел, и графит - термически стабильные материалы, которые могут выдерживать температуры, встречающиеся при литье цветных металлов, не расплавляясь и не разлагаясь. Практическое различие заключается не в том, выдержит ли материал температуру, а в том, как он ведет себя при этой температуре.

Костный пепел химически инертен при температурах до примерно 1200 градусов Цельсия, что превышает температуру разлива всех распространенных цветных литейных сплавов. Медные сплавы обычно разливаются при температуре от 1050 до 1150 градусов Цельсия, алюминиевые - от 680 до 750 градусов, а цинковые - от 400 до 450 градусов. При всех этих температурах костный пепел остается в своей первоначальной химической форме - фосфате кальция, не разлагаясь и не реагируя с металлом.

Графит устойчив к гораздо более высоким температурам, чем костный пепел - он сублимируется при примерно 3600 градусах Цельсия в инертных условиях. Однако графит окисляется в воздухе при температурах выше примерно 450 градусов Цельсия, что ниже температуры разлива медных и латунных сплавов. Когда графит окисляется на горячей поверхности формы, он превращается в углекислый газ и не оставляет твердого остатка, что означает, что разделительная прослойка буквально исчезает во время разлива. Это ограничивает полезность графита в качестве самостоятельного разделительного агента для цветных сплавов, обрабатываемых при высоких температурах, если форма не работает в защитной атмосфере.

В следующей таблице сравниваются основные термические и химические свойства, относящиеся к смазкам для цветных металлов.

3. Различия в применении и обработке

Практические различия между костным порошком и графитом на литейном участке выходят за рамки химии и охватывают методы применения, очистку и условия труда. Костный порошок обычно наносится в сухом виде с помощью мешка для опыления, ручного пылесоса или кисти. Его также можно смешивать с водой, чтобы получить суспензию, которую наносят на поверхности форм кистью или распыляют и высушивают перед заливкой. Белый цвет костного порошка позволяет оператору легко определить, равномерно ли нанесено покрытие на поверхности формы.

Графит почти всегда наносится в сухом виде или в виде суспензии в летучем растворителе. Тёмный цвет делает более сложной визуальную оценку равномерности покрытия, а порошок графита тоньше и легче поднимается в воздух, чем типичный литейный костный порошок. Графитовая пыль на литейном участке оставляет стойкий чёрный след на оборудовании, полу и одежде оператора, который может быть трудно убрать и может вызывать раздражение дыхательных путей при недостаточной системе аспирации пыли.

Очистка после литья - это еще один практический аспект. Остатки костного пепла на отливках обычно светлые и могут быть удалены проволочной щеткой или легким пескоструйным обработкой. Остатки графита могут внедриться в поверхность отливки, особенно на алюминиевых сплавах, и могут потребовать более интенсивной очистки перед последующими операциями по обработке поверхности, такими как анодирование или покраска.

4. Стоимость и доступность

В расчете на килограмм графитовая пыль часто дешевле костного пепла, особенно на рынках, где графит добывается внутри страны. Однако сравнение стоимости на килограмм может вводить в заблуждение, так как эти два материала имеют разную плотность нанесения и коэффициент покрытия. Более мелкий размер частиц графита означает, что данная масса графита покрывает большую площадь поверхности, чем та же масса костного пепла, что может компенсировать более высокую стоимость килограмма костного пепла при сравнении стоимости материалов на один цикл литья в форму.

Модели доступности также различаются. Графит - это добываемый минерал с глобальной цепочкой поставок, сосредоточенной в небольшом числе стран - производителей, что делает его цену чувствительной к объему добычи, ограничениям на экспорт и нарушениям в перевозках. Костный пепел - это обработанный животный побочный продукт, чья поставка связана с животноводческой промышленностью, которая существует практически в каждой стране с значительным сектором производства мяса. Эта распределенная база поставок делает цены на костный пепел менее волатильными, чем цены на графит на многих рынках.

Компания Luohe Feilong Bone Carbon Co., Ltd. поставляет промышленную костную золу литейным заказчикам, которые ценят химическую инертность этого материала по отношению к медным и алюминиевым сплавам. Расположение компании в Хэнаньском провинции, вблизи крупного животноводческого производства, позволяет обеспечивать стабильный поток сырья, что гарантирует надежное планирование производства и выполнение обязательств по поставкам.

5. Совместимость с сплавами: решающий фактор

Для литья из меди и медных сплавов костная зола, как правило, является предпочтительным разделительным веществом, так как при температурах разливки она химически инертна по отношению к меди. Графит может растворять небольшие количества углерода в расплавленной меди, что может незначительно изменить состав сплава на поверхности отливки. Хотя этот эффект обычно незначителен и может не повлиять на функциональные свойства детали, он может стать проблемой для приложений, где химический состав поверхности имеет решающее значение, например, для электрических разъемов или трубопроводных фитингов, которые будут припаиваться или пайкой.

Для литья алюминия выбор более тонкий. Костная зола полностью совместима с алюминием при температурах разлива и обеспечивает надежное отделение от формы без загрязнения поверхности. Графит может реагировать с расплавленным алюминием с образованием карбида алюминия на границе раздела, создавая тускло-серый поверхностный слой, который может потребовать механической обработки для удаления. Однако графит так широко используется в литье алюминия под давлением, что многие литейные цеха разработали методы управления этой проблемой, включая использование графита в сочетании с другими разжижителями формы или нанесение защитного покрытия на форму поверх графитового покрытия.

Для литья цинка под давлением оба материала показывают удовлетворительные результаты с точки зрения химической совместимости, и выбор часто зависит от стоимости, доступности и предпочтений оператора. Feilong Bone Carbon поставляет костную золу, которая используется для всех трех семейств сплавов, при этом клиенты выбирают соответствующую марку в зависимости от конкретного сплава и конфигурации формы.

6. Исследование конкретного случая: литейный цех медных трубных фитингов

Литейное предприятие в Турции, производящее медные трубопроводные фитинги методом песчаной литьи, в течение многих лет использовало графитовую разделительную массу. Основной покупатель литейного завода, производитель систем водоснабжения, начал требовать, чтобы содержание углерода на поверхности отливок было менее 0,05%, так как остаточный углерод мешал процессу пайки при сборке. Литейное предприятие испытало костную золу в качестве замены графитовой разделительной массы и обнаружило, что она полностью устраняет проблему с поверхностным углеродом, при этом обеспечивая свойства отсоединения, сопоставимые или несколько превосходящие свойства графитового покрытия. Переход на новую разделительную массу потребовал переобучения операторов по технике нанесения и корректировки толщины покрытия, но приблизительно через четыре недели литейное предприятие полностью переключилась на использование костной золы в качестве разделительной массы для литья меди.

Требования по содержанию углерода на поверхности были соблюдены на каждом последующем производственном партийном выпуске. Показалось, что покрытие из костной золы более терпимо относится к незначительным отклонениям в технике нанесения, так как ее угловатые частицы механически зацепляются на поверхности формы, обеспечивая покрытие даже при несовершенно равномерном нанесении оператором. Эта практическая надежность снизила частоту появления дефектов, связанных с покрытием, по сравнению с графитовым процессом, который она заменила.

7. Исследование конкретного случая: Процесс литья алюминия в песчаные формы

Цех по литью алюминия в песчаные формы сравнил использование костной пыли и графита при серийном производстве корпусов насосов. Формы, покрытые графитом, позволяли легко извлекать отливки, но требовали примерно на 20% больше времени на очистку, так как графитовый остаток на поверхности отливок необходимо было удалить перед пескоструйной обработкой. Формы, покрытые костной пылью, легко отпускали отливки и давали отливки, которые требовали меньшего количества пост-литейной очистки, компенсируя незначительно более высокую стоимость костной пыли.

8. Часто задаваемые вопросы

8.1 Можно ли использовать костную пыль и графит совместно в одной технологии?

Да, некоторые литейные заводы смешивают костную пыль и графит, чтобы сочетать химическую инертность костной пыли с смазочными свойствами графита. Соотношение компонентов смеси зависит от сплава, материала формы и геометрии отливки. Типичной начальной точкой может быть соотношение 70% костной пыли и 30% графита по весу для литья в песчаные формы из медного сплава, с корректировками на основе результатов испытаний. Смесь должна быть приготовлена как однородная масса перед нанесением, чтобы обеспечить равномерную отпускную способность по всей поверхности формы.

8.2 Оставляет ли костный пепел следы на отливках?

Костный пепел, используемый в качестве разделительного агента, оставляет легкий, порошкообразный след на поверхности отливки, который легко удаляется проволочной щеткой, легким пескоструйным обработкой или промывкой. Следование не химически связано с металлом и не влияет на последующие операции обработки, сварки или отделки поверхности. Это практическое преимущество по сравнению с некоторыми другими разделительными агентами, которые могут оставлять стойкие следы, требующие химической очистки.

8.3 Подходит ли костный пепел для постоянного литья в форму?

Костный пепел обычно используется при постоянном литье цветных металлов, особенно для медных сплавов. Он наносится в виде тонкого покрытия на полость формы перед каждым разливом, либо в виде сухого порошка, либо в виде водной суспензии. При использовании постоянных форм покрытие должно быть достаточно тонким, чтобы не влиять на точность размеров, но достаточно толстым, чтобы обеспечить надежный отрыв. Операторы обычно получают ощущение правильной толщины нанесения покрытия на основе опыта работы с конкретной геометрией формы и сплавом.

8.4 Какой размер частиц костного шлака рекомендуется для литейного производства?

Костный шлак литейного сорта обычно поставляется в диапазоне от 100 до 325 меш, что обеспечивает баланс текучести, покрываемости и свойства отслаивания. Более тонкие сорта, менее 325 меш, могут использоваться для применений, требующих более тонкого покрытия, например, для литья под давлением мелких, сложных деталей. Более крупные сорта выше 100 меш могут быть предпочтительны для крупных песчаных отливок, где требуется более толстой разделительной прослойки. Выбор размера частиц должен быть подтвержден в результате литейных испытаний с конкретной конфигурацией формы и сплавом.