Пепел кости в смазке для медных литьевых форм: применение и практические рекомендации

Индийская литейная мастерская по песчаному литью меди производила компоненты электрических выключателей, которым требовалось чистое и гладкое поверхностное покрытие для эффективного тушения дуги. Литьевая мастерская использовала коммерческое разделительное вещество, которое работало достаточно хорошо для большинства отливок, но иногда оставляло остатки, которые требовали ручной шлифовки перед тем, как детали могли быть переданы на механическую обработку. Когда поступил заказ на производство 5000 кожухов выключателей с более строгими требованиями к поверхностному покрытию, процент брака при использовании разделительного вещества в литейной мастерской достиг примерно 12%, что значительно превышало порог в 3%, который мог выдержать маржа заказа. Литьевая мастерская перешла на использование костного пепла в качестве разделительного агента, который наносился в виде сухого порошка на поверхность песчаной формы.

В рамках первого производственного цикла с использованием костного пепла процент брака снизился ниже 2%, и детали соответствовали требованиям к поверхностному покрытию без дополнительной шлифовки. Литье меди представляет собой особые проблемы при отделении отливок от форм, что делает костный пепел особенно подходящим выбором, при условии правильного нанесения и стабильного качества материала.

1. Почему литье меди требует специализированных разъемных веществ

Медь и ее сплавы обладают рядом характеристик, которые делают снятие с формы более сложной задачей, чем при литье черных металлов. Температура разливки медных сплавов, обычно находящаяся в диапазоне от 1050 до 1150 градусов Цельсия, в зависимости от конкретного состава сплава, достаточно высока, чтобы разрушить многие обычные разъемные вещества. Любая органическая компонента в разъемном веществе сгорит при этих температурах, а некоторые неорганические соединения размягчатся, расплавятся или вступят в реакцию с расплавленной медью.

Высокая плотность меди также создает трудности при снятии с формы. Расплавленная медь оказывает большее гидростатическое давление на поверхность формы, чем легкие металлы, такие как алюминий, что может привести к проникновению металла в микроскопические поры поверхности и созданию механического зацепления между отливкой и формой. Разъемное вещество для меди должно наноситься в виде непрерывной пленки, которая перекрывает эти поверхностные поры и предотвращает проникновение металла, а не просто в виде легкого пыления, которое может быть смещено весом металла.

Теплопроводность меди примерно в пять раз выше, чем у чугунного литья, что означает, что тепло от расплавленного металла быстро передается в материал формы. Это быстрое теплообмен может вызвать термический удар на поверхности формы, что потенциально может привести к отслаиванию или растрескиванию материала формы, если разделительный слой не обеспечивает определенную степень теплоизоляции между металлом и формой. Костный порошок, обладающий относительно низкой теплопроводностью по сравнению с графитом, обеспечивает эту теплоизоляцию в качестве дополнительного преимущества его разделительного действия.

2. Как Костный Порошок Проявляет Себе в Медном Литье

Костный порошок функционирует в медном литье посредством трех взаимодополняющих механизмов. Основной механизм - это физическое разделение: тонкий слой частиц костного порошка создает барьер между расплавленной медью и поверхностью формы, препятствуя прямому контакту, который в противном случае привел бы к адгезии. Частицы костного порошка имеют угловатую форму и механически переплетаются друг с другом, когда они прижимаются к поверхности формы, образуя сплошную пленку, которая противостоит смещению под действием текущего металла.

Вторая механизм - это химическая инертность. Костиная зола представляет собой фосфат кальция в форме гидроксиапатита, который не вступает в реакцию с медью при температурах литья. Это критическое преимущество, так как химические реакции между отливным составом и расплавленной металлом могут вызывать поверхностные дефекты, изменять состав сплава на поверхности отливки или создавать газ, который задерживается в виде пористости. Химическая стабильность костиной золы означает, что функция отливки осуществляется без введения новых переменных в процесс литья.

Третья механизм - это термическое регулирование. Слой костиной золы поглощает часть первоначального термического удара, когда расплавленная медь контактирует с формой, защищая поверхность формы от быстрых изменений температуры и снижая риск отслаивания материала формы. Этот термический буферный эффект особенно ценен при постоянном литье в формах, где форма используется повторно в нескольких циклах, и термический усталость является основным режимом отказа.

3. Методы применения для литья меди

Сухий порошковый нанос золы кости является наиболее распространенным методом применения золы кости при литье меди в песчаные формы. Оператор использует порошковую мешочек, пневматический распылитель или широкую кисть для нанесения тонкого, равномерного слоя порошка золы кости на поверхность полости формы непосредственно перед закрытием формы. Цель - полное покрытие без избыточного материала, который может попасть в поток металла и создать включения в отливке.

Для эффективного сухого порошкового нанесения поверхность формы должна быть свободной от свободных песчинок и остаточной влаги перед нанесением золы кости. Сам порошок золы кости должен быть сухим и свободно текучим, без комков, которые создают неравномерное покрытие. Операторы обычно наносят порошок двумя легкими проходами, а не одним тяжелым, так как этот метод обеспечивает более равномерное покрытие и снижает риск накопления избыточного порошка в полостях и углах формы.

Нанесение суспензии - это альтернативный метод, используемый, когда требуется более большая толщина или равномерность покрытия. Золу кости смешивают с водой, чтобы получить тонкую пасту или суспензию, которую затем наносят кистью, распылением или ватным тампоном на поверхность формы и оставляют высыхать перед заливкой. Метод нанесения суспензии создает более плотное и прочно прилегающее покрытие, чем сухое порошковое нанесение, но требует дополнительного времени для высыхания, что может замедлить производственный цикл. Нанесение суспензии чаще используется при литье в постоянные формы и штампы из медных сплавов, где форма используется повторно и покрытие должно выдерживать несколько циклов литья.

В таблице ниже сравниваются методы сухого нанесения порошка и нанесения суспензии при литье меди.

4. Выбор размера частиц для литья меди

Размер частиц является критическим фактором в эффективности костной пепла при литье меди. Идеальный диапазон размеров частиц обеспечивает баланс между покрытием, целостностью покрытия и характеристиками обработки. Коштовый пепел, который слишком мелкий, ниже примерно 325 меш, может подниматься в воздух при нанесении, создавая пыльную рабочую среду и затрудняя оператору видеть, где было нанесено покрытие. Коштовый пепел, который слишком грубый, выше примерно 100 меш, может не заполнить поверхностные поры должным образом и оставить видимую текстуру на поверхности отливки.

Для песочного литья меди костной пепел в диапазоне от 150 до 250 меш является распространенной отправной точкой. Этот диапазон размеров частиц обеспечивает хорошую текучесть из мешка для опыления, достаточную способность заполнения пор на поверхностях песчаных форм и покрытие, которое легко отделяется после затвердевания. Литьевые цеха, литье крупных медных деталей, где площадь поверхности формы значительна и оператору нужно быстро покрыть полость, могут предпочитать более грубую марку в диапазоне от 100 до 200 меш, которая лучше текет и быстрее покрывает.

Feilong Bone Carbon предлагает костную золу в нескольких классах размеров частиц, чтобы удовлетворить различные предпочтения литейных предприятий. Процесс помола и просеивания компании настраивается так, чтобы получать постоянное распределение размеров частиц в заданном диапазоне, что помогает операторам литейных предприятий разработать повторяемую технику нанесения, не прибегая к компенсации различий в размерах частиц от партии к партии.

5. Техника нанесения: получение стабильных результатов

Наиболее распространенной причиной дефектов отливок, связанных с костной золью, является неравномерное нанесение, а не качество материала. Покрытие, которое в некоторых местах слишком тонкое, а в других - слишком толстое, приводит к неравномерному отсоединению, при этом в тонких местах металл может контактировать с формой, а в толстых местах излишний порошок может осыпаться в поток металла. Разработка повторяемой техники нанесения является самым важным фактором для получения стабильной эффективности отсоединения от костной золи.

При сухом опыливании оператор должен держать устройство для нанесения на постоянном расстоянии от поверхности формы, обычно 20 - 30 сантиметров, и использовать широкие движения с небольшим перекрытием на каждом проходе. Цель - получить видимое, но полупрозрачное покрытие, через которое все еще можно разглядеть текстуру поверхности формы. Если покрытие непрозрачное белого цвета и поверхность формы больше не видна сквозь него, то было нанесено слишком много порошка, и часть его должна быть удалена путем мягкого продувания или отсмешивания излишков перед закрытием формы.

Визуальный осмотр после нанесения - это простая, но эффективная проверка качества. Покрытая поверхность формы должна выглядеть равномерно посыпанной без обнаженных участков, полос или скоплений порошка в углах и впадинах. Любые обнаженные участки должны быть повторно посыпаны порошком перед закрытием формы. Этот визуальный осмотр занимает всего несколько секунд на одну форму, но может избежать часов переработки дефектного литья.

6. Диагностика и устранение распространенных проблем с отделением медных отливок

Если медная отливка прилипает к форме, несмотря на использование костного кальция, проблема обычно связана с одним из нескольких распространенных причин. Недостаточная толщина покрытия - самая частая проблема, особенно в глубоких полостях формы, где оператор может иметь трудности с достижением всех поверхностей при помощи распылителя. Загрязнение поверхности формы влагой, маслом или остаточным металлом от предыдущего разлива также может ухудшить отделение, так как препятствует равномерному прикреплению костного кальция.

Избыточная влага в самом костном кальции может привести к слеживанию при нанесении и создать локальные слабые места в покрытии. Костный кальций, который хранился в влажных условиях, должен быть высушен перед использованием и просеян, чтобы разбить любые сгустки, которые образовались. Быстрый полевой тест - это сжать руку с костным кальцием: он должен свободно текать между пальцами без слеживания или ощущения влажности.

Температура формы также может повлиять на процесс извлечения отливки, особенно при литье в постоянной форме. Если форма слишком холодная при нанесении костной пыли, вода в суспензии может не испариться полностью до заливки, что может привести к образованию пара, который может нарушить покрытие. Если форма слишком горячая, суспензия может высохнуть слишком быстро и треснуть, создав каналы, через которые расплавленная медь может контактировать с поверхностью формы. Операторы набирают опыт определения правильного диапазона температуры формы, но обычно целевым диапазоном является показание контактного пирометра примерно от 150 до 250 градусов Цельсия в момент нанесения суспензии.

7. Пример: Литье медных корпусов вентилей

Литейное предприятие в Восточной Европе, литьевая бронзовых корпусов вентилей в песочной форме, столкнулось с неравномерным извлечением отливок на модели корпуса вентиля с глубокой и узкой полостью вставки. Стандартное разделительное вещество не доходило до дна полости при нанесении методом посыпки, а переход на нанесение суспензии распылением требовал остановки производства для просушки. Литьевое предприятие изменило процедуру нанесения, используя длинную трубку для посыпки, присоединенную к рукавному распылителю, что позволило оператору направить костную пыль в дно полости вставки перед покрытием остальной части формы. Новая процедура снизила количество дефектов, связанных с извлечением отливки, на этой модели с примерно 8% до менее 2%, и эта модель стала одним из более надежных изделий в производстве литейного предприятия, несмотря на сложную геометрию.

8. Исследование конкретного случая: Массовое производство медных электрических компонентов

Медная литейная фабрика, производящая электрические клеммы на высокопроизводительной линии постоянных форм, провела испытание суспензии костной пыли по сравнению с ее существующим коммерческим смазочным покрытием в течение 1000 циклов. Костное пылевое покрытие наносили каждые 8 - 10 циклов, в то время как коммерческое покрытие - каждые 5 - 7 циклов, что привело к сокращению времени простоя при нанесении покрытия примерно на 15% в течение испытательного периода. Качество поверхности отливок было сопоставимым для обоих покрытий, и литейная фабрика приняла решение использовать костную пыль на этой производственной линии на основе улучшения производительности.

9. Часто задаваемые вопросы

9.1 Сколько костной пыли обычно используется на одну форму при медной литье?

Количество костной пыли, используемой на одну форму, зависит от площади поверхности формы и метода нанесения. Для типичной песчаной формы с площадью поверхности примерно 0,3 - 0,5 квадратных метров при сухом пылевидном нанесении используется приблизительно 30 - 50 грамм костной пыли в порошке. Это эквивалентно примерно 20 - 30 килограммам костной пыли на метрический тонну отлитой меди, хотя фактическое потребление значительно варьируется в зависимости от геометрии детали, конфигурации формы и техники работы оператора.

9.2 Можно ли использовать одну и ту же костную золу для различных медных сплавов?

Да, костная зола химически инертна по отношению ко всем распространенным медным сплавам, включая чистую медь, латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы, поэтому один и тот же сорт костной золы можно использовать для различных семейств сплавов в одной литейной мастерской. Сорт сплава не влияет на выбор сорта костной золы, хотя разница в температурах литья между чистой медью и высокозинковой латунью может повлиять на то, предпочтет ли литейная мастерская сухое опыливание или нанесение суспензии для данного сплава.

9.3 Влияет ли костная зола на качество поверхности обработанных на станке медных отливок?

Остатки костной золы на поверхности отливки легко удаляются стандартными процессами очистки, такими как пескоструйная обработка, щеточная обработка или химическая очистка, и они не оставляют никаких химических остатков, которые могли бы повлиять на последующие механические обработки. Медные отливки, изготовленные с использованием костной золы в качестве разделительного агента, обычно имеют чистую и гладкую поверхность после очистки, без накопления углерода или других изменений химического состава поверхности, которые могли бы повлиять на обрабатываемость или эксплуатационные характеристики готовой детали.

9.4 Как хранить костную пепел, чтобы сохранить качество применения?

Костную пепел следует хранить в сухом, закрытом месте в герметичных контейнерах или мешках. Попадание влаги приводит к слеживанию порошка, что делает равномерное нанесение трудным. Если материал был подвергнут воздействию влаги и показывает признаки слеживания, его можно восстановить, высушив в низкотемпературной печи и пропустив через сито для разрушения агломератов. При правильном хранении материал не разрушается химически со временем, поэтому литейные цеха могут создавать запасы без опасения ограничений по сроку хранения.