Литейное производство. — Все металлы, способные плавиться, как, например, золото, серебро, олово, свинец, цинк и т. п., могут быть употребляемы для отливок. Но главнейшим материалом для этого дела в нынешнее время служат сплавы меди и железа — в виде чугуна и стали. Из сплавов меди отливаются преимущественно произведения искусства; чугунные отливки преобладают в больших сооружениях, в производстве машин и тому подобных предметов; наконец, сталь применяется в тех случаях, когда от изделия требуется большая прочность и вязкость. Таким образом, Л. производство разделяется главным образом на три отдела: 1) чугунолитейное, 2) меднолитейное и 3) сталелитейное.
I. Чугунные отливки производятся как из чугунов первой плавки (непосредственно истекающих из домны), так и из чугунов второй плавки. Эти последние отличаются большой однородностью и вязкостью и поэтому считаются особенно пригодными в производстве частей машин. Чугун прямо из домны идет обыкновенно на изготовление посуды, труб и других предметов, в которых известная степень чистоты отделки и вязкости не имеет особенного значения. Химический состав и физические свойства литейных чугунов, а также составление смесей из них в зависимости от свойств отливаемых предметов изложены в статье Л. чугун. Здесь ограничимся описанием мастерской и производства. Чугунолитейный завод должен обладать следующими устройствами: 1) печи для переплавки, 2) воздуходувные аппараты, 3) подъемные краны, 4) сушильные печи, 5) машины для растирания песка и для обращения угля в порошок, 6) ковши, 7) опоки, формовые ящики, 8) разные инструменты для формовки и, наконец, 9) модели, металлические и деревянные. 1) Печами для переплавкичугунов служат: плавильные горны, или вагранки, или отражательные печи. О вагранках см. V, 352. Переплавка в горнах требует тигля и стоит очень дорого, а потому редко применяется. Отражательные печисостоят из следующих частей: а) топильного пространства, или шуровки; в него кладутся колосники, образующие решетку, на которую забрасывается горючий материал (дрова или каменный уголь); b) плавильного пространства, которое отделяется от предыдущего возвышением, называемым порогом. Место, куда кладется чугун и где он плавится, составляет основание рабочего пространства и зовется подом, или подиною,сверху оно перекрыто сводом. Поду дается обыкновенно поверхность в три раза большая, чем поверхность решетки; длина этой решетки в 2½ или в 3 раза больше ее поперечника. Для свободного притока воздуха решетке дают в сечении столько кв. дециметров, сколько килограммов каменного угла сжигается в час; при том дымовая труба получает сечение, составляющее по крайней мере 1/5 или 1/4 часть сечения решетки. Все части, приходящие в соприкосновение с пламенем, должны быть выложены из огнеупорного кирпича. «Угар» (т. е. потеря или убыль в количестве чугуна) зависит от продолжительности операции; в печи хорошего устройства и при правильном ведении производства он не должен превышать 10—12%. Отражательные печи употребляются главнейшим образом в следующих случаях: 1) когда не имеется двигателя для воздуходувки и 2) когда переплавляются очень объемистые массы чугуна. Вообще, эти печи выгодно пускать в ход при производстве в больших размерах, чтобы иметь возможность последовательно произвести несколько плавок, так как нагревание одной печи до температуры плавления чугуна поглощает большое количество горючего материала. 2) Воздуходувные приборы — см. т. VI, 870. 3) Грузоподъемные краны (см. Кран подъемный, XVI, стр. 505) составляют необходимую принадлежность всех Л. заводов; они служат как для маневрирования с опоками, так и для доставления расплавленного металла от печей к формам. Л. краны должны быть сильны соответственно величине отливок и устойчивы. Они всегда имеют две пяты, вращающиеся в гнездах, из коих нижняя устанавливается в массив фундамента, а верхняя укрепляется прочною связкою с составом самого здания. В хорошем подъемном кране с деревянной стрелой грузоподъемная сила в одну тонну обходится средним числом в 400 и 450 р. Такой же кран, сделанный из чугуна, при тех же условиях высоты и грузоподъемной силы будет стоить вдвое дороже. На заводе всегда имеется несколько кранов, и они всегда должны быть установлены так, чтобы груз, передаваемый с одного крана на другой, мог быть удобно доставлен во всякое помещение мастерской. 4) Сушильные печи суть камеры, сложенные из кирпича; в них производится просушка формовки, приготовленной для отливки. Сушильным камерам дают размеры, соответствующие величине опок. Посередине сушильного аппарата проходит железная дорога, по которой движется массивная чугунная тележка, служащая для перевозки просушиваемых форм. Сердечники и другие небольшие предметы помещают в низу сушильной печи, прислоняя их к боковым стенкам камеры. Отверстие для выхода газов в дымовую трубу делается в нижней части сушила, в самой же дымовой трубе ставится заслонка для регулировки тяги. Когда формы внесены в сушильную камеру, пазы двери замазывают глиной и, смотря по величине просушиваемых предметов, их предоставляют действию жара на более или мене продолжительное время. 5) Бегуны (см.) служат для измельчения употребляемого в литейной формовочного материала. 6) Ковши. В них выпускают чугун из вагранок или печей и доставляют чугун к заформованным опокам; они делаются из железа и внутри вымазываются глиной. По величине ковши бывают: одноручные (для одного человека), в которые входит не более одного пуда металла; двуручные, которые несут два литейщика (вес жидкого чугуна не более 3 пд.); но, смотря по надобности, ковши делаются и в 6—8 пд. Большие ковши, подаваемые посредством крана, вмещают в себе 10, 20 и более пд., смотря по подъемной силе крана. Когда требуется отливка очень большого веса, так что вагранка не может зараз дать такую массу, то копят в ней чугун, пока он не подойдет под самые фурмы, затем выпускают его в металлоприемники (ковши в 300 или в 400 пд.), где он под слоем угля может оставаться часа 1½ в совершенно жидком состоянии, а в это время вагранка, работая усиленно, дополняет чугуном эти ковши, которые краном подносят к формовке. 7) Опокою называется ящик без дна, в котором набивают землю по данной модели; обыкновенно опока делается из чугуна, но она может быть и железная, и деревянная. Так как при работе часто приходится переворачивать уже наформованную опоку, поднимать ее и перемещать, то во избежание порчи формовки опока внутри имеет много ребер, между которыми песок держится очень крепко. Чаще всего опока состоит из двух половин — верхней и нижней; обе эти части должны быть плотно между собою пригнаны и иметь приспособление для скрепления; когда же высота формуемой модели очень велика, то ставят несколько опок одну на другую, плотно скрепляя их между собою. Так как форма опок крайне разнообразна, то обыкновенно многие из них лежат без употребления в виде мертвого капитала, а потому некоторые литейные старались ввести у себя наборные, или кусковые, опоки, т. е. заготовить у себя такие угольники, планки и ребра, которые, будучи свинчены на болтах, дали бы возможность из частей известного типа получить опоки всякой величины. 8) Модели, шишки, болваны, сердечники и т. п. Всякая литейная работа начинается изготовлением модели, которая непременно должна удовлетворять двум условиям: 1) легко выниматься из наформованной массы и 2) иметь всюду соответствующий допуск на усадку металла при остывании. Для достижения второго условия модельщик имеет свой особый, так называемый литейный, фут, который на 1% длиннее обыкновенного. Модели и шишечные ящики (см. ниже) обыкновенно делаются из дерева, и для их изготовления берут хороших столяров, знакомых со всеми требованиями Л. дела; изготовление моделей сильно удорожает отливку. Когда требуется изготовление большого числа предметов по одной и той же модели, то дерево не выдерживает такой работы и модель делают металлическую. Когда делается отливка полых предметов, то внутри формы должна быть выделана пустота известного вида и в данном месте. Если пустота невелика, то для ее получения употребляют сделанные из песка шишки и болваны.Эти последние получают, набивая песок в деревянные формы, называемые шишечными ящиками. Когда же пустоты имеют значительную величину, то болваны делаются из глины или кладутся из кирпичей. Если пустота имеет форму цилиндра, то для ее получения берут чугунный или железный цилиндр, стенки которого просверлены множеством небольших отверстий, проводящих газы, которые образуются во время отливки. Затем навивают на них в один или в два ряда шнур или фитиль из скрученного сена и смазывают все формовой глиной. Для придания правильной формы цилиндр ставят на станок и обтачивают шаблоном до желаемого диаметра. Полученная таким образом форма для образования пустоты называется сердечником. Он просушивается в сушильной камере и помещается в Л. форму. Для малого диаметра сердечники заменяются чугунными или железными стержнями.
Для отливок прямо из домны формовка бывает 3-х родов: или почвенная, или с перекрышью, или опочная. Первая состоит в том, что модель отпечатывают в песке или почве доменного двора. Отлитые таким образом предметы имеют только одну гладкую сторону, и такие отливки употребляются исключительно для самых грубых изделий, как, напр., заводские половые плиты и т. п. Если же требуется, чтобы вещь была чиста с обеих сторон, то для такой отливки над предыдущей формовкой ставят перекрышь, состоящую из набитой землею деревянной или металлической опоки; так отливают арматуру для печей, колоды и т. п. Если же форма вещи более сложна или с пустотой, то употребляют те же самые приемы, как и при металле 2-й плавки. Все такие работы можно свести к следующим главным пяти типам: а) формовка в тощем песке, сыром; b) формовка в тощем песке, сухом; с) формовка в жирном песке, требующем сушки в сушильной камере; d) формовка в глине и е) формовка в металле. Формовкою в сыром песке называется такая, когда чугун вливается в форму непосредственно после изготовления, т. е. опоки не проходят через сушильную камеру. Это самый употребительный способ для приготовления посуды, орнаментов и многих частей машин. Для получения чистого и хорошего литья, формовочный песок должен обладать известными качествами; наилучшим должно считать такой суглинистый песок, который при достаточной связи своих частиц обладает достаточною проницаемостью для газов. Формовка в сухом песке отличается тем, что по изготовлении формы для придания большей связи поверхность ее покрывают формовочными чернилами, которые составляются из жидко разболтанной глины с угольным припылом. Формовка в жирном песке употребляется исключительно для отливок с сложными сердечниками, как, напр., паровые цилиндры, конденсаторы, парораспределительные коробки и т. п. Приемы работы ничем не отличаются от работы в тощем песке; вся разница состоит в том, что опоки по разъемке их ставят на тележку и отвозят в сушильную камеру. Для формовки в глине берут очень жирные сорта ее, хорошо связывающиеся, но не дающие слишком большой усадки; к ним примешивают от 1/3 до 1/5 лошадиного навоза и рубленой шерсти, необходимых для предупреждения трещин в формах во время пребывания их в сушильной камере и для содействия выходу газов. Глина идет преимущественно для образования наружных форм, которые можно приготовить без моделей, при помощи сердечников и шаблонов. Для этого прежде всего устанавливают сердечник и обмазывают его глиной до тех пор, пока вокруг него образуется футляр, вполне и совершенно представляющий приготовляемую отливку. Этот футляр, называемый ложной формой (фальшивкой), покрывается многочисленными слоями глины, которые уминают пальцами для более тесного сближения слоев между собою и таким образом препятствуют образованию в них трещин. Эта последняя настилка составляет уже настоящую форму, толщина которой находится в прямой зависимости от размеров и массы отливаемого предмета. Разнятие формы производится краном; сперва снимают верхнюю настоящую форму, а потом ложную; эту последнюю можно разбить, так как она уже более не нужна. После этого болванка и внутренняя поверхность формы исправляются; на них наводится грунт, их снова просушивают, а затем остается только замкнуть форму и зарыть ее в песок в момент заливки. При формовке в металле отливка предметов производится в металлических изложницах, при чем вообще имеется в виду получение очень твердых поверхностей. Этот способ употребляется редко и почти исключительно для плющильных цилиндров (прокатных валов), в которых по существу дела требуется по возможности наиболее твердая поверхность. Для получения хороших закаленных цилиндров следует наблюдать, чтобы толщина изложницы равнялась 1/3 диаметра цилиндра; чтобы изложницы были подогреты до 80°; чтобы металл поступал в них сифоном из двух литников; чтобы излишек металла составлял приблизительно треть веса цилиндра, наконец, чтобы для отливки служили соответственные чугуны (см. Литейный чугун). В металлических изложницах отливается только самый вал цилиндра, а шейка и шип льются в песок.
Формовка и отливка в чугунных формах. К разряду таких отливок относятся: резцы,употребляемые для грубой обточки чугунных изделий; молота и наковальни, у которых закаливается только одно лицо, или бой, колеса для железнодорожных вагонов. Резцы, равно как наковальни и молота, отливаются в металлическую форму только частью; прочая же вся масса изделия формуется в сыром песке; форму в этом случае называют наличником; ее вместе с моделью затрамбовывают в песок, но с тою разницею, что модель вынимают вон, а наличник остается и во время отливки, перед которою (особенно для молотов и наковален) его смазывают графитом, каменноугольным дегтем и даже просто салом. Во время отливки рабочий стоит близ наличника и деревянной обожженной палкой старается удалить из чугуна всякий посторонний сор. Как только чугун застынет, то наличник отнимают прочь, частью для сбережения самого наличника, частью же для того, чтобы продолжительным прикосновением его к остывающему металлу не придать последнему закалки слишком сильной, соединенной обыкновенно с малой стойкостью. Резцы отливаются из мягкого чугуна, но выплавленного при невысокой температуре; молота из третного мягкого или половинчатого, а наковальни — из половинчатого либо из третного жесткого. Так называемые Грюзоновские артиллерийские снаряды, пользовавшиеся еще недавно большою известностью, также отливались в металлические изложницы.
II. Меднолитейное производство. Произведения из латуни и бронзы могут быть исполнены теми же способами, как и чугунные. Отливка их чаще всего производится в песке сушильной камеры, потому что этим способом получаются наилучшие результаты в отношении чистоты и доброкачественности работы. Красная медь обладает слабою текучестью и дает неплотные, пузыристые отливки, поэтому почти никогда не употребляется в литейном деле. Но если сплавить медь с оловом или цинком, то получаются сплавы, которые очень хорошо воспринимают форму и дают плотные отливки, имеющие обширное применение в технике. В зависимости от назначения отливаемых предметов меняется состав сплава и его название. Он получается в виде бронзы, латуни, нейзильбера, британского металла, антифрикционного сплава, или баббита, пушечного и колокольного металла и т. п. Оставляя подробности об этих металлах (см. Латунь и др.), укажем здесь только на способ отливки колокола. Колокольный металл состоит приблизительно из 78% меди и 22% олова. Размеры колокола имеют определенное основание (базис), которое называется шкалой сравнения, посохом Иакова или правилом. Оно выработано практикой и передается из поколения в поколение в семьях литейщиков. Край, т. е. наибольшая толщина колокола, составляет основу всей меры и служит исходной величиной для определения других измерений. Толщина колокола изменяется сообразно его весу. Для примера приводим несколько данных, заимствованных у Готье.
| Вес колокола | Толщина края |
Большой диаметр | |
|---|---|---|---|
| Пд. | Фнт. | Дюймы | Дюймы |
| — | 12 | 0,5 | 7,3 |
| 1 | 20 | 0,9 | 13,6 |
| 6 | — | 1,5 | 21,8 |
| 30 | — | 2,6 | 38,3 |
| 61 | — | 3,2 | 47,7 |
| 183 | — | 4,6 | 69,0 |
| 610 | — | 6,8 | 101,0 |
Существует много способов для вычерчивания колоколов; наиболее употребителен следующий: большой диаметр равен толщине 15 краев; величина 7 краев составляет диаметр главы; расстояние от основания главы до нижнего края равняется 12 толщам колокола. Для внешнего очертания колокола берется радиус в 32 толщины его. Что касается до тех размеров, которые должны иметь различные колокола одного и того же подбора, то принимают, согласно с законами акустики, что число вибраций колокола находится в обратном отношении к его диаметру или к кубическому корню из его веса; следовательно, в подборе колоколов, которые должны составить полную октаву, диаметры их должны увеличиваться и составлять следующие отношения:
| для: | ut, | re, | mi, | fa, | sol, | la, | si, | ut. |
| как: | 1, | 8/9, | 4/5, | 3/4, | 2/3, | 3/5, | 8/15, | 1/2. |
Модели ушков делаются из гипса, дерева и глины. Обмазав эти модели воском, смешанным с свечным салом, их покрывают толстым слоем мягкой глины; форму просушивают до вынутия модели; потом ее снова отделывают начисто и ставят литники, которые занимают всегда наиболее высокие точки; затем приготовленную таким образом форму покрывают еще слоем золы, разболтанной в молоке, и, наконец, ее прокаливают. Формовка колокола делается в той же самой яме, где он и отливается; эта формовка мало отличается от описанной уже выше; она состоит в приготовлении кирпичного болвана и глиняной формы, между которыми помещается слой земли, называемый «ложным колоколом». Так как этот ложный колокол после разнятия формовки выламывается, то для удобства удаления его от кирпичного болвана и от внешней части формовки он отделяется тончайшим слоем золы или угольной мелочи. Таким образом ложный колокол занимает собою то пространство, которое должно наполниться металлом. Формовщики на нем располагают кайму, орнаменты и разные надписи, которыми обыкновенно украшают колокола. Эта работа исполняется посредством отпечатков из очень плавкого и в то же время очень вязкого воска. Красота колоколов много зависит от качества глины или формовой земли, к которой прибавляют около 1/4 коровьего помета. Смесь эту приготовляют обыкновенно задолго до употребления, чтобы в ней могло произойти особенного рода брожение, много улучшающее ее свойства. Формовка и отливка статуй, бюстов, выпуклых рельефных украшений и т. п. предметов производится в глиняной смазке. Сущность этой формовки в следующем: сначала образуют, если нужно, сердечник из глины на металлическом или другом каркасе; потом наводят на него тело, но не из глины, а из воска. Когда все части статуи будут из этой массы выделаны с полною отчетливостью, тогда поверхность ее покрывают кожухом, состоящим из слоя самой нежной и хорошо перемятой формовой глины; кожуху этому помощью железных полос, обручей и различных скреплений придают необходимую прочность; устраивают литники и отдухи и дают формовке хорошо и медленно просохнуть. После этого форму нагревают, при чем воск расплавляется и стекает через нарочно внизу оставленные отверстия, образуя таким образом пустоту, наполняемую впоследствии металлом. Но перед отливкой форму следует хорошо просушить и слегка обжечь. Модели для статуйной формовки приготовляются из гипса, цинка, бронзы и даже чугуна. С этой модели снимают по частям гипсовые слепки и в них отливают из воску по порядку все части тела, которые наводят на сердечник; при этом следует наблюдать, чтобы каждая часть прилегала как можно плотнее к соседним. Образовавшиеся стыки заделываются так, чтобы их репительно не было заметно и, кроме того, чтобы общий вид этой восковой фигуры был совершенно сходен со своей моделью. Относительно толщины наводимого тела (особенно при больших статуях) наблюдается, чтобы она по возможности была везде одинакова; от этого обстоятельства зависит правильность усадки, а, следовательно, и достоинство отливки. Поверхность воскового тела, наложенного на сердечник, покрывают тончайшей отмученной глиной, к которой примешан просеянный сквозь полотно графит; смесь эту разводят на воде и покрывают ею восковую формовку раз десять или пятнадцать, давая наперед всякому слою хорошо высохнуть. На эту оболочку накладывают уже более или менее толстый слой формовой глины, перемешанной с коровьей или овечьей шерстью. Отверстия для удаления из формы расплавленного воска располагаются так, чтобы он мог вытечь без остатка из всех частей формы, которую следует нагревать для этого не быстро и не сильно. Когда весь воск сплавится и будет собран в какой-нибудь сосуд, то отверстия, через которые он вытекал, затыкают хорошо пригнанными глиняными пробками. Затем форму обжигают, затрамбовывают в надлежащем положении в литейной яме и заливают металлом. Приготовление форм из гипса, а также восковых отливок и наборка их на сердечник поручается ваятелю; прочие же приемы этой работы производятся опытными и ловкими формовщиками, за которыми художник, однако же, должен наблюдать. В заключение должно сказать, что в настоящее время все большее и большее распространение получают отливки из стали с малым содержанием углерода. Сталь эта обыкновенно получается в регенеративных печах Сименс-Мартена (см. Литая сталь). Приемы формовки и работ мало отличаются от обыкновенного чугунного литья; формовым же материалом служит чистый кварцевый песок с небольшим содержанием глины и с примесью ржаной муки. Газопроницаемость формы при этой работе есть одно из главных условий успешной отливки. Получению беспузыристой отливки много способствует прибавка алюминия или других так наз. успокоителей.