# Металл: течет, застывает, украшает жизнь

Леонид Александрович Ашкинази

Металл: течет, застывает, украшает жизнь


Чтобы оценить его роль в нашей жизни, достаточно обвести вокруг себя взглядом. Но не будем рассуждать о прогрессе техники и завоеваниях цивилизации, а поговорим о чем-нибудь не столь глобальном. Когда забота о куске хлеба насущного отступает на второй план и человек ставит красивую вещь на стол или книжную полку, это зачастую оказывается металлическая статуэтка или какаянибудь поделка из металла и камня. Возможно, это наследие тех десятков тысяч лет, когда племя, освоившее металл, увеличивало свои шансы на выживание.


Если нам нужно сделать вещь сложной формы, то всегда есть выбор: собрать ее из простых деталей или попытаться изготовить целиком. В первом случае возникает проблема соединения. Болты или штифты, сварка или пайка - во всех случаях это дороже, сложнее, менее надежно. Конечно, желательно все делать "из одного куска", но при взгляде на иные вещи становится ясно: из куска такое можно сделать только в сказке. Однако сказка иногда становится былью - в литейном производстве. Кроме того, литье позволяет имитировать старинные технологии, изготавливать изделия "под старину". Ибо до изобретения болтов и винтов литье было более распространено, чем сейчас.


Представим себе, что у нас имеется "негатив" - полость точно такой формы, какую мы хотели бы иметь деталь. Тогда берем металл, расплавляем его и осторожненько заливаем в полость. Деталь готова. Но - в одном экземпляре. А если требуется несколько или много? Тогда надо иметь соответствующее количество литейных форм, потому что извлечь металлическую фигурку, не испортив форму, не удается. Итак, как изготовить надлежащее количество форм?


Пусть у нас есть "позитив", вещь, по форме повторяющая ту, что нам нужна, но из воска. Заливаем эту восковую фигурку литейной массой (нечто вроде гипса), ждем, пока гипс застынет, выплавляем воск - и литейная форма готова. Одну восковую фигурку, в конце концов, можно и вручную сделать, даже весьма сложную. Воск - не медь. Ну а что делать, если надо сто таких фигурок?


Давайте и их изготовим литьем. Для этого нам потребуется негатив. Но воск - не металл, он плавится при низкой температуре, разъемный негатив для литья восковых фигурок не должен быть термостойким. Например, его можно попытаться сделать из чего-то вроде резины. Разумеется, для изготовления резинового негатива нужен позитив, он же - оригинал. Это должна быть фигурка из какого-то легко обрабатываемого материала, например того же воска или дерева. В целом схема будет выглядеть так, как показано на рисунке.


На этой простой схеме простота заканчивается, и начинаются сложности. Здесь указаны пять материалов и четыре технологических процесса. С каждым материалом и каждым этапом процесса связаны проблемы, и каждую из них мы будем преодолевать. Но прежде, чем погружаться в этот котел, можно задать вопрос - если проблем так много, то не лучше ли сменить технологию целиком? Ответ, как всегда, состоит из двух частей: тривиальной и "безответной". Тривиальная - на другом пути проблем может оказаться и побольше. "Безответная" - проблема инерции техники, когда технология или конструкция применяются потому, что нет инвестиций на внедрение нового или нет технического "видения", чтобы это новое разглядеть. Такая проблема действительно существует, и она тем серьезнее, чем больше масштабы производства, беднее и менее технически грамотен производитель. Но к малограмотным редакторы "Химии и жизни" за интервью не ходят - выбор у нас есть. Итак, начнем с начала схемы, то есть с материала, из которого художник вырезает оригинал.


Художник - человек творческий, он работает с тем материалом, к которому привык, который ему нравится и который, по его мнению, больше подходит для данной задачи. Это может быть дерево, кость, пластилин и разные пластмассы. Это может быть и специальный воск - если надо изготовить одно изделие, то есть если мы сразу начинаем не с первой, а третьей картинки (см. рис.). Кроме того, бывают ситуации, когда оригинал вообще не изготавливается в данном технологическом цикле, а уже существует - то есть мы собираеся снять копию с какого-то изделия, музейного экспоната, произведения искусства. Поэтому основное требование к технологическому процессу, соединяющему оригинал и негатив: он должен годиться для любого оригинала, быть универсальным.


Разумеется, такое невозможно. В этом мире на самом деле универсален только сам человек: именно он решает все задачи. А материалов и технологий изготовления негатива при литье существует по меньшей мере три: гипс, виксинт, резины. Что такое гипс, знают все. Виксинт - полимер, который получают полимеризацией смолы под действием отвердителя. Это две жидкости, которые смешивают и полученной смесью заливают изделие. Виксинт полимеризуется, но как же добыть из него оригинал? Очень просто - разрезать на части и разобрать, а потом сложить обратно. Резина же применяется в невулканизированном состоянии, в виде пластичной массы. Ею облепляют изделие и производят вулканизацию, после чего резину тоже можно разрезать и разобрать на части. Достоинство виксинта - он жидкий и хорошо проникает в мелкие щели. Еще один плюс - в отличие от резины он не требует нагрева для полимеризации, поэтому оригинал может быть изготовлен из любого материала, в том числе и такого, который нельзя нагревать. Недостаток виксинта - его пары вредны и нужна хорошая вентиляция. Второй недостаток - у него есть упругость, то есть упругость есть у любого материала, абсолютно жестких веществ не существует, но упругость виксинта такова, что при больших размерах негатива его форма искажается. Резины же существуют разные, причем более жесткие - композиты, они содержат отрезки нитей, которые после вулканизации придают жесткость изделию. И чтобы окончательно запутать дело, добавим, что есть двухкомпонентные материалы, по химическим и физическим свойствам более близкие к виксинтам, но называемые - видимо, для удобства покупателя, чтобы он не пугался сложного слова, - резинами.


Вообще, идея универсальности и идея специализации пронизывают всю историю техники. С одной стороны, хочется иметь универсальный инструмент, который бы помещался в кармане и годился на все случаи жизни. Но кроме посоха Гэндальфа, по-настоящему универсальных инструментов не создано. То, что называется сейчас универсальным инструментом, это на самом деле комплект - возьмите в руки универсальный нож или отвертку и убедитесь сами. Впрочем, разводной ключ существует, и он действительно универсален, но сколько он стоит? Собственно, экономика и выступает верховным судьей в споре универсальных и специализированных. В технологии литья она привела к тому, что резин существует много, и в зависимости от условий, прежде всего от размера изделия, применяются разные. Чем изделие больше, тем жестче должна быть резина, чем изделие нежнее, тем меньше должна быть температура вулканизации. Весь комплекс параметров замыкается на стоимости, ибо любая разработка стоит денег и все новые материалы, которые удовлетворяют более высоким требованиям, оказываются дороже. Не говоря уж о том, что они используют более дорогие компоненты - просто потому, что разработчик, стремясь обеспечить конкурентоспособность своего детища, в первую очередь берет дешевые компоненты и лишь под давлением требований заказчика к параметрам идет на применение золота и алмазов...


Правда, есть, как всегда, и другой путь - не технологический, а конструктивный (обратите внимание: конструктивный путь внутри технологии). Именно, из виксинта или резины делается внутренний слой негатива, а внешний делается из гипса, который жесток. Разумеется, разбирать такой негатив сложнее. Взаимодействие между конструкторскими и технологическими путями решения любой задачи - тоже один из постоянных технических сюжетов. И только от человеческих качеств конструктора и технолога зависит, будет ли это эффективное взаимодействие или свара. Способов обеспечить эффективность немного, всего два. Или во главе дела должен стоять отличный организатор с широким техническим кругозором, который и обеспечит взаимодействие, замыкая все важные информационные потоки на себя, - или сами конструкторы и технологи должны обладать достаточно широким кругозором и уметь работать вместе. Понятно, что первая система услаждает нашу психологию (приятно иметь вождя, на которого можно свалить ответственность), но она менее надежна. Вторая упирается в образовательную систему, ибо для того, чтобы получить на выходе инженера с широким образованием, надо соответственно строить и образовательную систему, начиная со школы.


Виксинт обладает свойством, которое, с одной стороны, создает технологам проблемы, с другой (как обычно и бывает) может быть использовано с выгодой. Уже после разборки негатива он претерпевает усадку - несколько уменьшается в размерах. Это означает, что оригинал должен быть немного больше того изделия, которое мы хотим получить. С другой стороны, осуществляя операции изготовления негатива, заливки воска в полость "усевшего" негатива и опять изготовления негатива и так далее, мы можем получить уменьшенную копию. Для этой технологии разработаны специальные резины, имеющие большую усадку. Этим способом можно получать, в частности, маленькие объекты со сложной структурой.


Как уже было сказано, если оригинал имеет сложную форму, то негатив приходится делать разрезным - иначе его не снять с оригинала. Бывают и ситуации, когда разрезкой негатива решить проблему не удается и тогда делают разборным сам оригинал. Приходится его делать разборным и в том случае, если изделие имеет слишком большую массу и оборудование не позволяет отлить столько металла за один раз.


Итак, негатив готов - гипсовый, резиновый или из виксинта. Следующий этап - заливка в него воска. Он почти не повреждает негатив, и поэтому позитивов из воска может быть сделано много. Но если надо сделать очень большую партию изделий, то и негативов понадобится несколько. Опять же, более стойкие резины и стоят дороже, и технолог должен уметь хорошо считать, поскольку можно взять дешевую резину и сделать пять негативов, а можно взять дорогую и обойтись, скажем, двумя. Понятно, что при таком расчете надо иметь в виду всю технологическую цепочку, все расходы и отлично знать собственно технологию, то есть скорость износа негатива, и учитывать конкретные требования к точности изделия.


С воском связана одна проблема: при застывании он уседает и отлипает от стенок. Существует много сортов воска, различающихся по температуре размягчения, по вязкости, по усадке и, разумеется, по стоимости. Выбор зависит от размеров изделия - чем изделие больше, тем меньшую усадку воск должен иметь при застывании, тем более жестким и прочным он должен быть после застывания. И тем дороже он будет. Технолог начинает считать...


Прилипание воска к стенкам негатива тоже можно использовать. Если будущее изделие велико, то заливать всю полость в негативе воском не обязательно. Можно залить немного воска и покрутить негатив так, чтобы воск покрыл изнутри все стенки. Можно повторить эту операцию несколько раз, наращивая толщину слоя. После разборки мы получаем позитив, полый внутри. Он менее прочен, но легче, меньше расход материала, упрощаются последующие операции (выплавление воска).


Следующая операция - формовка. Восковой позитив помещают в емкость и заливают литейной массой на основе гипса. Она должна иметь высокую текучесть, чтобы проникнуть в узкие шели, высокую "живучесть" - чтобы не начать застывать раньше, чем закончится заливка, маленькое время застывания - чтобы не надо было слишком долго ждать, высокую прочность - чтобы не разрушаться на последующих этапах технологии, малую усадку - чтобы не искажались размеры. Параметры, как это обычно и бывает, связаны, и требования противоречат одно другому. Например, требование высокой живучести отчасти противоречит требованию малого времени застывания. Лучше всего было бы, конечно, если б масса слушалась голосовых команд, как собака. Кончил технолог заливать, покурил, откашлялся и изрек: "Застынь". Но такая масса пока не создана.


После заливки производится вакуумирование для удаления пузырьков воздуха, которые могли остаться на поверхности позитива-восковки. Если пузырьки останутся, потом на поверхности изделия окажутся металлические шарики. После вакуумирования подается газ под повышенным давлением - чтобы загнать массу в узкие щели. Формовочных масс существует много, и для литейщика проблема не в их параметрах - выбор велик, а в стабильности, повторяемости параметров от партии к партии, от упаковки к упаковке. У импортных масс стабильность достаточна для того, чтобы технологу не корректировать технологический режим, но эти массы дороже. Массы местного разлива пока не обладают должной стабильностью, но конкуренция с импортными приводит к улучшению параметров. Удобство работы с местным изготовителем состоит в хорошо налаженном взаимодействии. Если металлургу нужны какие-то определенные параметры, он звонит и договаривается, чтобы сделали именно так. Российский поставщик в данном случае набирает очки за счет хорошего сервиса!


После застывания массы ее прокаливают - чтобы выплавить воск, выпарить его остатки и удалить из массы влагу. Если прочность массы недостаточна, на этом этапе происходит искажение формы или осыпание. После того как воск и вода удалены, можно приступать к последнему этапу - заливке металла. Прежде всего надо обеспечить удаление воздуха, хорошее прилегание металла к стенкам формы. Обычно для этого применялись специальные каналы в форме, через которые и выходил воздух. При литье они заполнялись металлом, и потом эти металлические хвосты приходилось отламывать от изделия. Сейчас поступают иначе - современные заливочные массы пористы, и воздух откачивают насосом через поры. Кроме того, прилегание металла к стенкам формы можно увеличить, если его к ним прижать. Так действуют установки для центробежного литья - металл поступает во вращающуюся форму. Однако для литья изделий сложной формы этот метод не применяется.


Следующая проблема - выбор металла. Для ювелирных изделий это обычно золото, серебро и их сплавы. Литье из серебра осложнено высоким содержанием в нем газов, выделяющихся при застывании, поэтому необходима откачка. Для художественных изделий обычно применяют литейные латуни - сплавы меди и цинка, или бронзы - сплавы меди и олова; состав выбирают так, чтобы уменьшить температуру плавления и вязкость расплава. В технике часто применяется литье из сплава алюминия и кремния - силумина. Технология такого литья проще, изделие получается дешевле и легче. Если нужно защитить металл от окисления, заливку ведут в вакууме или защитной среде, чаще всего в аргоне. Причем аргон находится в установке под давлением две-три атмосферы, что тоже способствует лучшему прилеганию металла к форме и уменьшению пористости изделия. Дополнительную проблему создает охлаждение. Форма должна подогреваться, чтобы металл не начал застывать до полной заливки.


Запустили как-то новую схему питания для печи. И начали в ней сгорать нагреватели. Со старым источником печь работает, с новым - нет. Вскрытие показало, что между нагревателями возникала электрическая дуга, пробой. Для пробоя нужны две вещи: газ и высокое напряжение. Источник газа понятен - это испаряющиеся воск и вода. Но откуда высокое напряжение? Источник питания-то низковольтный... Выяснилось следующее. Частота следования импульсов в новом источнике была такой, что одна из компонент спектра совпала с резонансной частотой системы источник-провода-печь. И напряжение, как говорят инженеры, задралось... Жизнь технолога полна неожиданностей.