Одна из самых интересных и зрелищных лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение и технология материалов» по мнению обучающихся, является лабораторная работа по изучению технологии литья. На таких лабораторных работах в условиях лаборатории получают отливки из металлов и сплавов в разовых формах, обычно в песчано-глинистых. Данная лабораторная работа позволяет обучающимся освоить методику изготовления литейных форм и литых изделий, изучить литейные дефекты и понять сущность данного технологического процесса.
При проведении лабораторных работ следует строго и неукоснительно выполнять требования охраны труда, так как технология литья достаточно пожарно- и травмоопасна. К опасным и вредным факторам, которые могут воздействовать на обучающихся и преподавателя во время занятия следует отнести: термические ожоги, возникающие при соприкосновении с нагретыми материалами (тиглем и неостывшей отливкой) и оборудованием электропечей. Помимо этого же существует опасность поражения электрическим током при работе с лабораторными высокотемпературными печами т.д. Поэтому для снижения влияния опасных факторов (термических) на здоровье обучающихся при проведения лабораторных работ по технологии литья я предлагаю в качестве литейного сплава для получения отливки использовать легкоплавкие сплавы, которые имеются в свободной продаже в магазинах радиоэлектроники. Хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью), низкой температурой плавления и относительно невысокой стоимостью обладают следующие сплавы: сплав Розе, сплав Вуда, оловянно-свинцовые сплавы и т.д. Теперь разберем достоинства и недостатки данных сплавов. Для плавления, перечисленных выше сплавов не требуется специальное дорогостоящее оборудование, все эти сплавы можно расплавить на электрической плитке, газовой конфорке или с помощью портативной газовой горелки и т.д. Рассмотрим свойства трехкомпонентного легкоплавкого сплава Розе. Температура плавления данного сплава составляет всего +94-98℃. Данный сплав имеет следующий химический состав: 25% олова (Sn) + 25% свинца (Pb) + 50% висмута (Bi). Продается в магазинах в виде гранул, так как используется в радиотехнике в качестве припоя (см. Рис.1). Однако из-за наличия свинца в его составе, плавить его следует в специальном вытяжном шкафу, оборудованного активной вытяжкой и в хорошо проветриваемом помещении, так как пары свинца токсичны. Из сплава Розе можно получить отливки сложной формы.
Также в качестве сплава для получения отливок небольшого размера можно использовать мягкий (температура плавления до +300℃) оловянно — свинцовый припой ПОС 61. Состав сплава таков: 59-61% олово (Sn) + 41-39% свинца (Pb) + 0,1% сурьма (Sb) + 0,05% медь (Cu) + 0,25 висмут (Bi) + 0,02% мышьяк (As). Данный сплав является практически эвтектическим и поэтому его температура плавления составляет всего лишь +183℃. Данный сплав имеется в свободной продаже и он относительно недорогой. Но не забывайте о том, что в состав сплава входит свинец, который вреден для организма человека. Воздействие повышенных концентраций свинца на организм человека приводит к изменению репродуктивной, нервной, сердечно-сосудистой, иммунной и эндокринной систем человека. Его токсическое действие проявляется в изменениях функционального состояния почек, синтеза гема — основы гемоглобина, процессов окислительного метаболизма и энергетического обмена. Поэтому использовать сплавов, содержащих в своем составе свинец необходимо с крайней осторожностью. Не рекомендую использовать легкоплавкий четырехкомпонентный сплав Вуда (см. Рис. 2) для получения отливок при проведении лабораторных работ из-за его токсичности.
Температура плавления данного сплава составляет всего лишь +68,5℃ (плавится в горячей воде), он весьма легкоплавкий. Состав сплава: 12,5% олова (Sn) + 25% свинца (Pb) + 50% висмута (Bi) + 12,5% кадмия (Cd). Сплав Вуда используется в прецизионном литье. Однако кадмий, входящий в его состав, как и свинец токсичен для человека. Кадмий и его соединения являются канцерогенными веществами и при длительном вдыхании частиц металла человеком может вызвать в последствии рак легких.
Для получения отливок из легкоплавких сплавов, необходимо изготовить литейную форму. Литейную форму для этих целей можно изготавливать не из песчано-глинистой смеси, а из гипсового алебастра (CaSO4*0,5H2O) или как принято его называть «строительного гипса» (см. Рис.3).
Строительный алебастр также имеется в свободной продаже. Достоинством алебастра как материала для изготовления литейной формы является его дешевизна, доступность, огнеупорность и быстрое отверждение при взаимодействии с водой. Твердеет он за несколько минут и позволяет получать литейные формы со сложным рельефом. Причем, при заливке в гипсовые литейные формы расплавов, обладающих низкой температурой плавления, гипсовая литейная форма не разрушаются под воздействием невысоких температур. Поэтому такие гипсовые формы можно использовать повторно, а иногда и многократно. Желательно чтобы литейная гипсовая форма имела простую конструкцию без поднутрений, отъемных частей, с одной поверхностью разъема (см. Рис.3). Чем проще конструкция литейной формы, тем дольше у неё срок службы. Гипсовые формы, изготовленные из «строительного гипса» можно использовать и для получения отливок из более тугоплавких сплавов, например из силумина АК12 (сплав алюминия и кремния), обладающего температурой плавления 580-600℃. Огнеупорности строительного гипса достаточно, чтобы выдержать такую температуру, заливаемого расплава и получить отливку высокого качества. Однако следует помнить, что гипсовая литейная форма перед заливкой в неё расплавленного металла (сплава) должна быть предварительно хорошо просушена и разогрета непосредственно перед заливкой сплава. В противном случае вы получите брак. Влага, которая находится в гипсовой форме при соприкосновении с расплавленным металлом, залитым в полость формы, превращается в пар, что приводит к образованию газовой пористости на поверхности отливки. После кристаллизации сплава в сырой форме, поверхностный слой гипсовой формы прилипает к поверхности отливки, что приводит к ее разрушению при извлечении из неё изделия.