ГЛАВА 5
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИТЬЯ
Так как большинство моделистов делает модели в домашней «верфи», в данной главе не будем останавливаться на вопросах литья латуни и бронзы. Эти материалы требуют для литья температуры, которую можно получить только устройством довольно сложных печей.
Наиболее пригодные металлы для литья в домашних условиях — это цинк, свинец и олово, а также их сплавы (такие, как знаменитый «третник» широко применяемый для пайки радиодеталей). В отечественной литературе по судомоделизму обычно советуют изготавливать литейные формы из гипса. И хотя такие формы просты в изготовлении, добиться качественной отливки при применении этих форм очень сложно. В этой главе рассмотрим другие способы, дающие качественные отливки.
Литье из свинца и цинка
Наиболее оптимальные размеры для литья деталей из этих металлов — от 35 до 45 мм по длине и ширине. Для создания литейной формы требуется определенный опыт и трудовые затраты. Поэтому форму лучше делать, если на модели большое количество одинаковых деталей. Для литья из цинка форму можно изготовить из дюралюминия, латуни, меди или хорошо обрабатываемой стали.
Формы для литья из цинка и других
легкоплавких металлов
Литейная форма обычно состоит из двух частей. Но могут быть и более сложные литейные формы — из трех и более частей. Само по себе проектирование литейных форм уже является сложной конструкторской задачей.
Рассмотрим на примере изготовления ручного штурвала, как получается литейная форма. Обычно таких деталей для модели требуется много: для палубной артиллерии, для горловин вентиляторов и т. п. В данном случае литейная форма состоит из верхней и нижней половин, которые пришлифовываются и прочно скрепляются друг с другом (рис. 74). Затем в верхней пластине сверлится сквозное отверстие для литника, заходящее на глубину 1 мм на нижнюю пластину.
|
На нижней пластине от центрального отверстия, которое будет ступицей штурвального колеса, гравируется сам штурвал: сначала острым циркулем прорезается окружность, а затем полукруглым штихелем гравируются спицы колеса. Качество и глубина гравированной формы контролируются кусочком пластилина, на котором отпечаток формы даст вид литой детали. На верхней пластине проводятся аналогичные операции, при этом надо быть очень внимательным, так как верхняя и нижняя полуформы должны строго совпадать. Поэтому необходим постоянный контроль при помощи пластилина (рис. 75). Кстати, верхнюю полуформу желательно сделать из двух половин, чтобы литник не мешал изъятию отливки из формы.
Штихеля для гравировки можно сделать из старых, отслуживших свой срок напильников или надфилей. (Как их сделать, можно узнать в соответствующей литературе, где рассказывается о художественной гравировке металлов, например в книге Бреполя «Теория и практика ювелирного дела».)
Спицы колеса надо гравировать только в нижней полу- форме, тогда изготовление литейной формы значительно упростится. После гравировки литейная форма еще не пригодна для литья. Необходимо в верхней полуформе засверлить небольшое коническое углубление, используемое в качестве литника. В пустотах литейной формы находится воздух, и, если его не удалить, в отливке получатся раковины. Для выхода воздуха из формы в процессе литья кончиком штихеля процарапываются мелкие риски от мест, наиболее удаленных от литника, и от мест, где сосредоточивается наибольший объем металла, до границы литейной формы. Эти риски будут служить воздушными каналами.
Процесс литья легкоплавких металлов
Чтобы литые детали получались качественными, необходимо нагреть литейную форму на плитке примерно до 150°, иначе форма будет отнимать много тепла и мелкие фрагменты детали, а также области, расположенные далеко от литника, могут металлом не залиться. Цинк (свинец) плавится в стальном или медном тигле (можно использовать обычную стальную ложку) на газовой плите и немедленно выливается в литейную форму. Как только расплав застынет, форму нужно раскрыть. Острым инструментом, после полного остывания детали, удаляются литник, облой и нити воздушных каналов. Деталь очищается и обрабатывается до необходимого качества.
В рассмотренном примере речь шла о несложной детали. Моделисту нужно начинать именно с таких простых деталей. Позднее можно перейти и к более сложным отливкам. Носовые фигуры, гербы, украшения корпуса, блоки, профилированные крышки люков, решетки, опоры фальшборта — это лишь небольшой перечень деталей, которые можно изготавливать методом литья из легкоплавких металлов.
Литье по выплавляемым моделям
Ранее рассказывалось, как выполнить форму для многоразового использования. Такую форму сделать довольно сложно. Метод, описанный ниже, позволяет упростить изготовление формы, но использовать ее можно будет только один раз. Из воска изготавливается деталь с литником и воздушными каналами, необходимая моделисту (например, носовая фигура парусного корабля). Затем эта деталь обмазывается эпоксидным клеем и посыпается мелким речным песком (желательно без примесей). После полимеризации смолы процесс намазывания клеем и обсыпки песком повторяется до тех пор, пока на детали не получится слой толщиной 2—3 мм. После этого форма снова обмазывается клеем и оставляется полимеризоваться в горячей плите, причем воск, вытекающий из формы, надо аккуратно собрать в какую-нибудь емкость для повторного использования. После полимеризации смолы форму необходимо поместить в кастрюлю с кипящей водой и кипятить в ней около 2 ч, чтобы выплавить из формы весь воск. Затем вытащить литейную форму из воды и как следует просушить в горячей плите. Осмотреть полученную литейную форму, продуть ее изнутри воздухом от песка, залитые воздушные каналы прочистить. Теперь нужно поставить литейную форму в консервную банку с насыпанным на дне слоем песка литником вверх и засыпать песком до уровня выхода воздушных каналов. Литейная форма готова для заливки металлом. После застывания металла в литейной форме деталь очищается от песка с эпоксидкой, обрезается литник и металл, заполнивший воздушные каналы (так называемые выпоры). Обычно после этого деталь не требует дальнейшей обработки. Качество поверхности будет такое же, как и у восковой модели.
Искусственные смолы как материал
для литья
Описанная технология литья из легкоплавких металлов для начинающего моделиста достаточно сложна. При этом достать необходимые материалы не всегда возможно, хотя можно использовать корпус отечественных батареек типа КБС-Л, который делался из цинка. И все-таки начинающий моделист может выполнить литые детали: для этого достаточно иметь пластилин и эпоксидный клей. Для получения большого количества отливок необходимо иметь модель, выполненную из металла, дерева или пластмассы. Затем на гладкой пластилиновой плитке делаются отпечатки этой модели столько раз, сколько нужно деталей для модели корабля (с небольшим запасом). Готовят эпоксидный клей и заливают им эти отпечатки. Как только смола полностью полимеризируется, отливка вынимается из литейной формы и обрабатывается водостойкой шкуркой. С меньшими затратами труда эти детали едва ли можно сделать. Этот метод литья особенно подходит для деталей, одна сторона которых закрыта другими деталями (например, дверей, люковых крышек, цапф орудийных лафетов, цепных стопоров, стенок ящиков, табличек с названием, барельефов, фигур на переборке и т. п.)
Если литейную форму для литья легкоплавких металлов надо гравировать в металлической или гипсовой пластине, то для литья из эпоксидной смолы необходимо делать литейную модель. Что легче — решать моделисту.
Литейные модели
Литейные модели формуются в формовочную массу. При этом возникающие пустоты в этой массе являются формообразующими для литых деталей. Литейную модель сделать не так просто, поэтому сложные детали можно изготавливать из более простых отливок. Например, объемную фигуру для парусного судна можно склеить из двух половин — передней и задней, которые отливаются отдельно.
Модели из воска (выплавляемые модели) применяются в промышленном производстве и довольно сложны, поэтому желающие могут обратиться к соответствующей литературе. Обычно моделисты используют формовочный и литьевой материал, который для них не создает особых проблем и требует небольших затрат. Кроме того, нужно учитывать условия, в которых делается модель корабля (кухня в квартире, сарай в деревне или на даче, мастерская в кружке и т. п.).
Эластичные литейные формы
Если детали делаются не из металла (металл в основном применяется из соображений прочности), то можно выполнять литейные формы из такого современного материала, как силиконовый каучук. При этом: литье сложной детали не становится большой проблемой и получается отличное качество отливки. В России не производится силиконовый каучук в мелкой упаковке, пригодной для моделиста, но в Германии этот продукт весьма популярен. Например, силиконкаучуковая паста NVG- 3171 является идеальным материалом для изготовления литейных форм. Все очень просто! Изготавливается необходимая литейная модель из металла, древесины, пластмассы, воска, пластилина или другого материала (здесь у моделиста широкий выбор). Например, львиная голова для крышек пушечных портов может быть вырезана из дерева или выполнена из пластилина. Кстати, если в отливке необходимо показать структуру древесины, то для силиконкаучуковой литейной формы не возникает никаких проблем: структура будет видна на отливке. Поскольку львиная голова — односторонняя деталь, то ее нужно уложить гладкой нижней стороной на стеклянную пластину. Над литейной моделью устанавливается «формовочный ящик» (бывает достаточно просто спичечного коробка без донышка, куска пластмассового или металлического цилиндра подходящего диаметра). В стеклянной или пластмассовой посуде приготавливается силиконкаучуковая паста по инструкции, указанной на упаковке, и основательно перемешивается. Затем паста выливается в «формовочный ящик» таким образом, чтобы слой пасты медленно повышался над моделью. Этим избегается появление пузырей в форме. После полимеризации силиконкаучука (верхняя поверхность больше не липкая на ощупь) литейная модель вынимается из литейной формы. Поскольку форма резиновая, это можно сделать без затруднений. После полной полимеризации получается готовая литейная форма (рис. 76).
Литье из гипса
После изготовления формы необходимо подобрать подходящий материал для получения отливки. Для деталей, не подверженных механическим воздействиям, можно использовать гипс. Его нетрудно приготовить и отформовать деталь. После этого надо сушить деталь около двух часов в плите и окунуть ее в бесцветный нитролак, который хорошо впитывается в мелкопористую структуру гипса. После высыхания первого слоя нитролака деталь покрывают еще одним или двумя слоями. После этого она становится не только плотной и водонепроницаемой, но также значительно более прочной. Затем деталь окрашивается нитрокрасками. Детали, подверженные механическим воздействиям (главным образом ударам), лучше отливать из искусственных смол.
Смолы для литья
В торговой сети есть мелкие упаковки искусственных смол, отвердителей, растворителей, различных заполнителей и стеклоткани. Обычно применяют эпоксидный клей, но можно растворять мелкую стружку полистирола в растворителе для нитрокраски до густоты сметаны и заливать ее в литейную форму.
Все растворители и эпоксидные смолы ядовиты, поэтому надо работать с ними в хорошо проветриваемом помещении или во дворе. Меры безопасности для работы с этими веществами обычно указываются на упаковке.
Теплота полимеризации
Для моделей кораблей размер отливок обычно не превышает размеров спичечного коробка, поэтому существенное значение для получения качественной отливки имеет теплота полимеризации. Повышение температуры во время процесса полимеризации может разрушить отливку. Поэтому используются различные способы охлаждения литейных форм. Ее можно обдувать воздухом или установить на холодную металлическую пластину. Можно процесс полимеризации проводить при пониженной температуре (ниже 18 °C). Чтобы не опасаться этого явления, следует всячески стараться уменьшить объем полимера в отливке. Для этого при проектировании и изготовлении литейной формы надо предусмотреть в местах, где деталь имеет большой объем, использование различных стержней и вставок из металла. Здесь моделист, чтобы получить качественную отливку, имеет возможность экспериментировать.
Время полимеризации
(затвердевания)
Часто длительное время полимеризации смолы рассматривается как недостаток. Действительно, при большом количестве литых деталей и наличии одной литейной формы часто проходит не одна неделя, прежде чем моделист получит необходимые детали для модели. Но больше существенных недостатков у этого метода нет. При литье деталей не обязательно дожидаться полной полимеризации. И процесс постройки модели можно начинать именно с литья большого количества необходимых деталей, параллельно проводя другие работы (изготовление корпуса, установка винтомоторной группы, изготовление рангоута, парусов и т. п.). Силиконкаучуковая литейная форма не оставляет на детали каких-либо следов, и отлитая деталь из нее вынимается легко. Полученные в результате детали потом не нуждаются в какой-либо обработке наружных поверхностей.
Одна опасность все же подстерегает моделиста при изготовлении качественных отливок из эпоксидной смолы. Это появление воздушных пузырей в отливке. Поэтому содержащийся в литейной форме воздух смола должна вытеснить совершенно. Если воздух задержится хотя бы в одном углу формы, то в отливке этого куска потом не будет хватать. Поэтому аналогично с формами для литья из металла в силиконовой литейной форме делаются воздушные каналы (выпоры). Прежде чем литейную модель залить формовочной массой, необходимо оценить, где в полученной литейной форме может скапливаться воздух (рис. 77). Эти места на литейной модели всегда будут наивысшими, и в них укрепляется тонкая (0,3—0,5 мм) достаточной длины проволока. После получения литейной формы проволочки должны из нее торчать. Эти проволочки в литейной модели лишь слегка закрепляются, чтобы после полимеризации силикон- каучука их можно было легко вынуть. На их месте возникают тонкие каналы (выпоры) для удаления воздуха в процессе литья.
Использование смолы дает еще одно преимущество: сразу можно получать детали необходимого цвета, не требующие дальнейшей окраски, хотя нитрокраска хорошо ложится на эпоксидную смолу. В торговой сети продаются различные сухие пигменты, но можно использовать печную сажу, кирпичную пыль, зубной порошок и т. п. К сожалению, надписи на окрашенных деталях делать сложно. Но если слой окрашенной смолы не очень толстый, то под нее под- кладывают кальку или фотопленку с надписью, и она будет просвечивать сквозь слой эпоксидной смолы. Более подробно о способах нанесения надписей поговорим ниже.
Хорошим наполнителем эпоксидной смолы является также графитовый порошок, который не только позитивно влияет на процесс полимеризации, отбирая излишнее тепло, но и придает деталям красивый серо-черный цвет. Многие детали на моделях кораблей имеют именно такой цвет, поэтому готовая литая деталь не нуждается в окраске. Моделистам нужно пользоваться этими возможностями наполнителей.
Способ литья смолы по выплавляемой модели
Этот метод похож на метод литья металла по выплавляемой модели, но литейная форма получается для многоразового использования.
Вообще говоря, литейную модель изготовить тоже непросто, особенно для деталей сложной формы. Однако этим способом можно изготавливать и более простые детали. Например, корпус шпиля с барабаном для якорной цепи, стопор якорной цепи, детали орудий, стволы старинных орудий с гербами, украшениями, фигурами, гирляндами, щитами и т. п. Необходимо продумать сам способ изготовления восковой литейной модели из одной или нескольких деталей. Можно изготовить одну литейную модель, но можно сделать несколько моделей и соединить их при помощи литников в группу.
Итак, из воска делается литейная модель. К ней прикрепляется литник из воска и выпоры из тонких проволочек. Эта модель заформовывается в силиконкаучуко- вую смесь и после затвердения формовочной массы выплавляется. Потом эту форму можно заполнять эпоксидной смолой. Для изготовления литейных моделей употребляется обычный свечной воск, который разогревается до расплавления и в расплав вводится по весу около 20 % коричневой или черной сапожной восковой ваксы. Такой формовочный воск менее хрупок и хорошо заметен при изготовлении литейной модели. Восковую литейную модель предварительно формуем в подходящей емкости из расплавленного воска (имеются в виду необходимые размеры заготовки с припуском). После этого ножом, штихелем, острыми иглами, твердыми заостренными палочками и другими вспомогательными средствами придаем литейной модели окончательную форму. Такими вспомогательными средствами могут быть куски металла различного поперечного сечения, с помощью которых нужную форму в воске выдавливают или вырезают.
Выплавление литейной модели из формы
Чтобы воск выплавить из формы, необходимо его хорошо нагреть возле электрокамина или электроплитки. Но силиконкаучук недостаточно теплопрочен, поэтому надо время от времени передвигать и переворачивать литейную форму, чтобы ее не испортить. Можно после выплавления воска залить форму кипятком, чтобы удалить последние следы воска, и просушить ее теплым воздухом (например, с помощью пылесоса или фена). Теперь можно залить смолу. Если деталь имеет сложную форму и не имеет поверхности, по которой производится формовка на листе стекла, то после полной полимеризации смолы литейная форма разрезается от наружной поверхности к детали острым мокрым лезвием безопасной бритвы. Эластичная силиконовая литейная форма от этого не пострадает, и для ее повторного использования нужно замотать ее изолентой или полоской скотча, чтобы не происходило подвижек в разрезанных частях.
Многодетальные литейные формы
Если необходимо для модели корабля изготовить очень много отливок, то делаются так называемые многодетальные литейные формы. Для этого нужно залить в силиконовую форму большое количество восковых моделей. Эти литейные модели связываются друг с другом восковыми палочками, кольцами или полосками в группы. К ним присоединяются изготовленный из воска литник и тонкие проволочки для получения воздушных каналов. Группа затем целиком заливается силиконкаучуком, и в результате получается литейная форма, которая дает при каждой отливке большое количество деталей. Конечно, сначала моделисту необходимо набрать некоторый опыт, прежде чем он сможет хорошо сделать такие сложные литейные формы и формовать детали без особых сложностей.
Глава 6
ГОРЯЧАЯ ВЫТЯЖКА ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ
В последние годы моделисты все чаще при изготовлении моделей кораблей применяют термопластичные пластмассы. В первую очередь это поливинилхлорид (полистирол) и оргстекло. Эти материалы применяются также для механической обработки и литья. Полистирол выпускается в продажу в виде пластин различных толщины и цвета, даже прозрачный. Часто применяется бесцветное и цветное прозрачное оргстекло. Для деталей моделей кораблей все же чаще применяется полистирол. Оргстекло надо применять там, где деталь модели должна быть прозрачна. Это относится прежде всего к ходовым огням, кабинам вертолетов и других устройств, остеклению ходового мостика и т. п.
Если деталь модели больших размеров, то ее легко склеить из нескольких меньших деталей, сделанных из полистирола. Готовая пластмассовая деталь легко и просто обрабатывается режущим инструментом.
Возможности и условия горячей вытяжки
Изготавливать детали методом горячей вытяжки выгодно тогда, когда нет никаких менее трудоемких способов получения готовой детали либо когда необходимо изготовить большое количество одинаковых деталей. Изготовление пуансонов и матриц для этого технологического процесса требует больших трудовых затрат. Кроме того, применение этого метода не позволяет выполнять детали с острыми краями и кромками. При глубокой вытяжке полистирол дает разную толщину стенок детали (рис. 78).
Применение пуансона правильной формы (т. е. без острых кромок, материала соответствующей толщины) и доводочных операций позволяет уменьшить сильную разномер- ность стенок деталей. Для этого процесса наиболее подходящими деталями будут корпуса шлюпок, кожухи дымовых труб, надувные плоты и лодки, контейнеры спасательных плотов, защитные колпаки радиолокационных антенн, башни артиллерийских установок, гнутые листы обшивки, щиты и многие другие подобные детали. Если моделист принял решение изготавливать детали методом горячей вытяжки, то всегда надо оценить издержки при изготовлении пуансона и матрицы, пресса и нагревателя. Издержки должны все же оставаться в приемлемых рамках. Проще всего сделать инструмент из древесины, сам процесс проводить давлением руки на пуансон, а нагревать материал на электрокамине или на электроплитке. Рекомендуемая толщина пластмассовых листов для этого процесса — 1—2,5 мм. При этом необходимо учитывать, что чем тоньше материал, тем лучше он будет воспроизводить форму детали, но при наличии на детали острых кромок и при большой глубине вытяжки велика вероятность обрыва по краю матрицы.
Форма инструмента для вытяжки
Инструмент для вытяжки представляет собой пресс-форму, состоящую из двух частей — пуансона и матрицы (рис. 80). Матрицу можно изготовить из листовой латуни, фанеры или жесткого картона. В большинстве случаев матрицы из фанеры вполне достаточно. Для изготовления пуансона применяется древесина твердых, мелкослойных пород(рис. 79).
Если давление на пуансон производится рукой, то его целесообразно снабдить рукояткой. Для больших деталей лучше применять простой рычажный пресс (рис. 81). Чтобы размягченный полистирол не давал складок, его необходимо закрепить струбцинами на раме. Конструкцию такой рамы надо разрабатывать, исходя из формы детали, количества деталей и глубины вытяжки. При этом закрепляемый струбцинами лист полистирола не должен остыть. Чтобы можно было проводить горячую вытяжку, необходимо предусмотреть возможность повторного нагрева материала, зажатого на этой раме.
|
|
Окончательная обработка прессованных деталей
При изготовлении деталей вытяжкой из горячей пластмассы часто на краю матрицы образуются маленькие складки или следы вытяжки, нарушающие точность формы полученной детали. Поэтому пуансон необходимо делать немного длиннее детали (примерно на 3—5 мм). Затем в этом месте деталь обрезается точно по размеру. Кроме того, детали после горячей вытяжки и остывания нуждаются в последующей обработке. Она обычно заключается в шлифовке внешних поверхностей и окончательной отделке краев детали. Например, изготовленный этим методом кожух дымовой трубы (рис.
82) отпиливается лобзиком по длине. Напильником зачищаются опиленные края.
По верхнему краю трубы вырез может иметь косую или фигурную форму. На трубе бывают пропилы у палубы для прохода воздуха, жалюзи и т. п. Внешняя поверхность трубы также небезупречна. Поэтому необходимо ее отшлифовать на мелкозернистой шкурке равномерными, небыстрыми круговыми движениями. Пришлифовывается также плоскость, по которой труба устанавливается на палубе.
Если у деталей из полистирола обработка внешней поверхности еще возможна, то детали из оргстекла необходимо сразу делать высокого качества. А для этого пуансон и матрица должны быть сделаны идеально, чтобы не нужно было потом опиливать и шлифовать деталь. Небольшие складки и морщинки, полученные в результате глубокой горячей вытяжки, появляются по краям матрицы. В этом месте у прозрачной детали возникают оптические искажения. Для предотвращения образования подобных дефектов пуансон и матрицу необходимо полировать, что затруднительно, если материалом для них служит древесина. Чтобы иметь хорошее качество внешней поверхности, инструмент для горячей вытяжки придется сделать из металла или пластмассы.
Полировка оргстекла
В крайнем случае маленькие изъяны на внешней поверхности деталей из оргстекла можно устранить при помощи полировки. Для этого применяются специальные пасты, а также зубной порошок или зубная паста. Полировка производится круговыми движениями шерстяным сукном с нанесенной на него пастой. Абсолютное устранение оптических искажений едва ли получится, но все же достигается вполне приемлемое качество. Точеные детали из оргстекла можно не полировать, а при маленькой скорости вращения шпинделя нанести немного бесцветного нитролака на поверхность детали. После высыхания лака деталь выглядит даже лучше, чем полированная. Но при этом лак придает оргстеклу желтоватую окраску.
Вакуумное прессование пластмассовых
деталей
Авторами этой технологии являются кружковцы СЮТ г. Слободского Кировской обл., работающие под руководством И. Воробьева. Этот метод хорош тем, что матрицу для горячей вытяжки делать не обязательно. Весь технологический процесс показан на рис. 83.
В качестве источника вакуума можно применить любой компрессор. При этом необходимо получше загерметизировать шланг. Качество воспроизведения формы детали полностью зависит от качества исходной модели (пуансона). Вакуумная камера соединяется герметично с основанием, с промазкой всех швов клеем типа «Момент». Деревянные рамки собираются из подходящих брусков, оклеиваются листовой микропористой резиной тем же клеем.
Нагрев пластмассового листа производится горячей водой, что исключает перегрев тонкого листа, упрощает операцию и повышает безопасность работы. Образование промежуточной вытяжки («ванночки» на рис. 83) улучшает основной процесс формообразования, уменьшает вероятность появления складок и разрывов. Пуансон изготавливается из древесины мягких пород (липы, осины). После окончательной обработки ее покрывают последовательно тремя-четырьмя слоями лака, а затем шлифуют. Перед вакуумированием поверхность пуансона можно смазать машинным маслом для улучшения процесса формовки и упрощения съема отштампованной пластмассы.
Глава 7
ГАЛЬВАНОТЕХНИКА И ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Эти технологические процессы достаточно просты и позволяют даже начинающим моделистам добиться хорошего качества деталей модели корабля. Кроме того, они позволяют улучшить внешний вид металлических деталей и нанести металлическое покрытие на пластмассовые и даже на восковые детали.
В гальванотехнике применяются два метода — гальванопластика и гальваностегия. Гальванопластика — это электрохимический способ копирования. Этим способом можно изготавливать металлические сетки, ювелирные изделия, копии скульптур, гравюр, детали сложной конфигурации. Способ отличается высокой точностью воспроизведения формы изделия.
Гальваностегия — электрохимический процесс покрытия одного металла другим, более устойчивым в механическом и химическом отношении. К ней относятся хромирование, никелирование и т. п.
В принципе гальванопластика и гальваностегия одинаковы, но имеют свои особенности и отличаются прежде всего методами подготовки поверхности перед осаждением на нее металла. Для проведения этих процессов применяется довольно простое оборудование.
В качестве гальванической ванны может быть использована любая стеклянная банка подходящего размера (рис. 84 и 85).
Из толстой медной проволоки или медных трубок делаются поперечные перекладины, из которых две (рис. 84, а) служат для подвешивания металлических анодов, а третья (б) — для покрываемых металлом предметов (катод). Важно, чтобы покрываемые предметы были обращены к анодам своими наибольшими плоскостями.
Перекладины, к которым подвешиваются аноды и детали, необходимо снабдить клеммами для удобства и надежности соединения. Проволоки, прикрепляющие анод к перекладине, должны находиться выше уровня электролита. Анодные пластины включаются между собой параллельно и присоединяются обязательно к «плюсу» источника тока. Аноды и детали должны быть тщательно обезжирены.
Важным условием успешного проведения процесса является чистота. Если в электролите появляется легкая муть или образуется осадок, его необходимо профильтровать.
На рис. 86 показана схема включения гальванической ванны. В качестве источника тока используют автомобильный аккумулятор или выпрямитель на 6—12 В.
К схеме необходимо подключить вольтметр и амперметр. (Если площадь поверхности покрываемого предмета меньше 2 кв. дм, можно использовать миллиамперметр на 500 мА.) Сопротивление реостата — 8—10 Ом.
Ток, проходящий в цепи, не должен превышать определенного предела и зависит от площади поверхности предмета. Поэтому в гальванотехнике используется понятие «плотность тока».
Если деталь имеет заостренные части, плотность тока надо уменьшить в два-три раза. Детали погружают в ванну под напряжением! Реостат при этом включается на полное сопротивление. Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы.
Во время проведения процесса деталь два-три раза вынимают из ванны и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют ее положение. Тонкий слой металла откладывается на детали за 20—30 мин, толстый слой — за несколько часов. Деталь, вынутая из ванны, всегда имеет матовую поверхность. Для придания блеска ее полируют зубным порошком.
Нанесение металлических покрытий на неметаллические материалы
Основой для такой технологии служит графитовая смазка, которую можно изготовить самому. На мелкозернистой шкурке необходимо сточить несколько грифелей (для цангового карандаша или циркуля) или стержень от батарейки типа КБС-Л для получения мелкозернистого порошка графита. Этот порошок нужно просеять через марлю для удаления кусочков графита и шкурки.
Для того чтобы покрыть слоем металла пластмассовую деталь, в графит капают спирт или водку, размешивают и этой густой кашицей при помощи кисточки покрывают деталь. После высыхания излишки графита удаляют. Можно деталь покрыть лаком или разведенным в бензине воском. В это покрытие мягкой кистью втирается графит. После высыхания покрытия деталь обдувается воздухом.
Изготовление матриц и литейных форм из меди
Рассмотрим процесс изготовления металлической матрицы для штамповки пластмассовой детали. Для этого применяют следующую восковую композицию:
- воск — 20 весовых частей;
- парафин — 3 весовые части;
- графит — 1 весовая часть.
Если матрицу изготавливают из диэлектрика (воск, пластилин, парафин, гипс), ее поверхность покрывают электропроводящим слоем — втирают мягкой волосяной кистью графит в поверхность матрицы.
Гальваническое покрытие легко отделяется от матрицы, покрытой графитом. Подготовленную модель погружают в ванну, схема которой находится под током. Сначала проводят «затяжку» (покрытие) проводящего слоя при малой плотности тока в растворе следующего состава:
- медный купорос — 150—200 г;
- серная кислота — 7—15 г;
- этиловый спирт — 30—50 мл;
- вода — 1000 мл.
Рабочая температура электролита — 18—25°, плотность тока — 1—2 А/дм2. Спирт необходим для лучшей смачиваемости поверхности.
После того как вся поверхность «затянется» слоем меди, матрицу переносят в электролит, предназначенный для гальванопластики. Его состав:
- медный купорос — 340 весовых частей;
- серная кислота — 2 весовых части;
- вода — 1000 весовых частей.
Температура электролита — 25—28°, плотность тока — 5—8 А/дм2.
Этим способом можно делать очень точные копии не только вогнутых, но и выпуклых деталей, если в форме сделать отпечаток внешней поверхности такой детали.
Для изготовления литейной формы моделисту придется делать две полумодели литой детали, а потом тщательно их подгонять. Если деталь не объемная и поверхность разъема представляет собой плоскость, то задача значительно упрощается. Таким способом можно изготовить металлические литейные формы для элементов барельефа, украшающего парусное судно. После их отливки в полученной форме из гипса эти элементы монтируются прямо на модель без всякой обработки, так как поверхность гипсовой детали точно соответствует литейной модели.
Обезжиривание внешней поверхности деталей
Как уже указывалось, перед нанесением гальванического покрытия деталь необходимо тщательно обезжирить. Сначала ее очищают бензином или ацетоном, затем поверхность тщательно обрабатывают моющими средствами: стиральными порошками, пастами, жидкостями и т. д. После промывки деталь непосредственно перед началом процесса окунают на 20—30 с в 10—20 %-ный раствор серной кислоты, а затем быстро промывают в воде и погружают в ванну. Естественно, если деталь сделана из воска, парафина, пластилина и подобных материалов и покрыта слоем графита, то обезжиривание не проводится. Замечу, что к кислотам, щелочам и другим химическим веществам надо относиться уважительно и соблюдать все правила техники безопасности при обращении с ними!
Электрохимическое полирование поверхностей металлических деталей
В судомоделизме очень большое значение придается хорошему качеству поверхностей деталей. Все неровности приходится по много раз шпаклевать и шлифовать шкуркой, чтобы получить идеальную поверхность.
Но если применить нижеописанный метод электрохимической полировки, то по крайней мере для металлических деталей процесс значительно ускорится. Особенно выиграют при этом металлические детали, которые ставятся на модель неокрашенными: гребные винты, рында и т. п.
Полируемые детали подвешивают в электролитической ванне как аноды, то есть к ним подводят «плюс» источника питания. Катодом служит лист нержавеющей стали. Можно использовать электролиты следующего состава:
- Для полирования стали:
- серная кислота концентрированная — 300 мл;
- ортофосфорная кислота концентрированная — 600 мл;
- вода — 100 мл.
Электролит готовят в стеклянной или фарфоровой посуде. Температура ванны — около 70°, плотность тока 60— 70 А/дм2. Процесс длится 1—5 мин. Отполированные детали после извлечения из ванны промываются в проточной воде, погружаются в 10 %-ный раствор углекислого натрия (соды) и снова промываются в проточной воде. Сушатся они в струе теплого воздуха от бытового пылесоса (фена).
- Для полирования меди, латуни и бронзы:
- серная кислота концентрированная — 10 г;
- уксусная кислота — 12,5 г;
- хромовый ангидрид — 12,5 г;
- двухромовокислый натрий (хромпик) — 37,5 г;
- вода — 1000 мл.
Рабочая температура электролита — 60—70°, плотность тока — 25—50 А/дм2.
- Для полирования алюминиевых сплавов:
- этиловый спирт денатурированный — 576 мл;
- хлористый аммоний — 40 г;
- хлористый цинк — 180 г;
- бутиловый спирт — 64 г;
- вода — 128 мл.
Полирование производится при напряжении 20—24 В. Рекомендуется через 1 мин вынуть деталь из ванны и снова погрузить, повторив это в течение процесса полирования несколько раз.
Электрохимическое окрашивание металлических деталей
Для электрохимического окрашивания металлических деталей из стали, латуни и меди необходимо собрать гальваническую ванну и электрическую схему (рис. 87).
Электрод, подключенный к «плюсу», делают из листовой меди. «Минус» подключают к окрашиваемой детали. Необходимо следить, чтобы детали не касались медной пластинки. В банку заливают специальный электролит и замыкают электрическую цепь. Через 2—3 мин начнется окрашивание. Сначала деталь станет коричневой, потом фиолетовой и т. д. Цвет зависит от времени: 2 мин — коричневый; 3 мин — фиолетовый; 3—5 мин — синий; 5—6 мин — голубой; 8—12 мин — желтый; 12—13 мин — оранжевый; 13—15 мин — красный; 17—21 мин — зеленый.
На 1 л электролита необходимо:
- медного купороса — 60 г;
- сахара-рафинада — 90 г;
- едкого натра — 45 г
Приготавливается электролит в строгой последовательности: растворяется купорос в 200—300 мл воды, в него добавляется сахар. Отдельно в 250 мл воды растворяется едкий натрий. К нему небольшими порциями, при постоянном помешивании, подливается раствор медного купороса с сахаром. Затем добавляется вода, чтобы получился 1 л раствора.
При работе с едким натром, также как и с кислотами, надо соблюдать осторожность. Чтобы цвета были более контрастными, в готовый электролит добавляется 20 г безводной соли углекислого натрия. После окрашивания деталь промывают водой, сушат и покрывают бесцветным лаком.
Декоративная отделка деталей из алюминия и его сплавов
Этот металл можно также окрасить в любой цвет. С этой целью детали, изготовленные из алюминия, подвергаются анодному оксидированию с последующей адсорбционной окраской различными красителями.
Делают это так. Отполированные до зеркального блеска детали обезжиривают обыкновенным хозяйственным мылом с теплой водой. Их тщательно моют щетинной щеткой в течение 10 мин. Обезжиренные детали промывают в холодной воде, затем для удаления пленки окислов погружают на 2—3 мин в 50 %-ную азотную кислоту. После этого детали снова тщательно промывают сильной струей воды и немедленно помещают в ванну для анодирования.
Очень хорошим является электролит, приготовленный из бисульфата натрия (натрий сернокислый кислый), 250—300 г которого растворяют в 1 л воды. Рабочая температура электролита не более 20°. Для катодов при анодировании применяется листовой свинец, анодом служит обрабатываемая деталь, которую подвешивают между двумя свинцовыми катодами на расстоянии 70—80 мм от них. Электролиз длится 40—50 мин, плотность постоянного тока — 1—1,5 А/дм2. Подвеска для деталей изготавливается только из алюминия! Все соединения и контакты должны быть надежными. Загружать детали в ванну и выгружать их следует только под током.
После пребывания деталей в ванне их тщательно промывают холодной водой и опускают в водный раствор анилинового красителя, подогретый до 50—60°. Раствор красителя следует предварительно профильтровать, так как его небольшие нера- створившиеся крупинки могут дать пятна на поверхности металла. Цвет окраски зависит от времени пребывания детали в красителе, но оно не должно превышать 15—20 мин.
Анилиновые красители можно приобрести в хозяйственных магазинах или на рынке. Для окрашивания применяют
- 10 %-ные водные растворы следующих красителей:
- черный цвет — анилиновый черный М или анилиновый прямой черный-3 (торговое название);
- коричневый цвет — основной коричневый;
- золотисто-желтый цвет — прямой желтый 2Ж или ализариновый красный;
- красный цвет — красный ализариновый или кислотный рубиновый;
- синий цвет — кислотный синий антрахиноновый или прямой синий М;
- голубой цвет — анилиновый голубой или метиленовый голубой;
- зеленый цвет — прямой зеленый ЖХ или основной ярко-зеленый;
- фиолетовый цвет — основной фиолетовый;
- белый цвет — применяется неорганический краситель (сначала деталь помещается в ванну с 10 %-ным раствором уксуснокислого свинца, а затем переносится в ванну с 10 %-ным раствором глауберовой соли (сульфата натрия);
- имитация под золото — окраска получается прочной и светостойкой. Состав для окрашивания готовят так: 1 г красителя оранжевого 2Ж растворить в 0,5 л горячей воды, в раствор добавить 0,1 г красителя желтого-3 и 0,5 г кальцинированной соды (каустика). После охлаждения раствор профильтровать. Отдельно в 0,5 л горячей воды растворить 0,1 г красителя черного М и также раствор профильтровать. Перед окрашиванием оба раствора смешать и нагреть до 50— 60°. В зависимости от времен пребывания деталей в этом растворе можно получить окраску под любую пробу золота.
Химическое фрезерование металлов
Надписи на металлических пластинках, уменьшение толщины стенок металлических деталей, увеличение диаметра отверстий или уменьшение диаметра стержней и многое другое можно делать методом химического фрезерования (травления). Поверхность металла полируют, промывают водой и сушат. Затем на нее наносятся надписи или рисунок любым спиртовым лаком, после чего деталь подвергается травлению Там, где был нанесен лак, травления не происходит.
Алюминий и его сплавы лучше травить в 10—15 %-ном растворе едкого натра. Следует помнить, что химическое фрезерование происходит очень медленно При нагревании раствора до 60—80° за 20 мин растворится слой металла толщиной всего 1 мм. После травления деталь тщательно промывают водой и полируют.
Латунные детали травят в 20 %-ном растворе азотной кислоты. Рисунок наносится горячим парафином, затем острием иглы и кончиком перочинного ножа парафин удаляется с тех мест, где затем произойдет травление металла. С азотной кислотой необходимо работать под вытяжкой или на открытом воздухе. После травления деталь тщательно промывается и нагревается в воде до температуры 90°, чтобы удалить парафин, и протирается сухой тряпочкой с мелом.
Протравленные детали для защиты от окисления покрываются лаком.
Медь травят в 70 %-ном растворе хлорного железа с добавлением 0,3—0,35 %-ной соляной кислоты, цинк — в 8—12 %-ном спиртовом растворе соляной кислоты. К недостаткам этого метода относятся невозможность получения глубокого рельефа и невертикальность стенок обработанной детали, поскольку едкие жидкости начинают разъедать металл не только вглубь, но и вширь, под слоем лака или парафина (рис. 88).
Полировать металлы можно простым погружением детали в ванну с химическим раствором без применения электричества. Раствор состоит из следующих веществ:
- фосфорная кислота концентрированная — 350 мл;
- азотная кислота концентрированная — 50 мл;
- серная кислота концентрированная — 100 мл;
- сернокислая или азотнокислая медь — 0,5 г
Рабочая температура ванны — 100—110°. Время полирования — 0,5—4 мин. При полировании выделяются удушливые пары, поэтому ванна должна находиться в вытяжном шкафу или на открытом воздухе!
Все данные по режиму полирования приведены для алюминия. Для других металлов время полирования и температура должны быть другими. Латунь и детали из нее на воздухе быстро тускнеют. Поэтому после полировки их покрывают лаком. Но можно получить на латуни стойкое блестящее покрытие. Для этого ее погружают для обезжиривания в 10—15 %-ный раствор какой-либо щелочи и промывают. Затем деталь опускается в раствор бисульфита натрия, промывается в воде и опускается в раствор уксуснокислой меди, подогретый до 36—40°. В зависимости от времени, в течение которого деталь находится в растворе, латунь окрашивается от светло-золотистого цвета до цвета червонного золота. За цветом окраски надо следить, время от времени вынимая деталь из раствора. Потом деталь промывается водой и сушится. Концентрация раствора уксуснокислой меди — 1—5 %. Чтобы окрасить латунь и другие медные сплавы в черный цвет (вороненого металла), деталь погружают на 1—3 мин в следующий раствор:
- 25 %-ный нашатырный спирт — 500 мл;
- двууглекислая (или углекислая) медь — 60 г;
- опилки латунные — 0,5 г
После смешивания компонентов раствор необходимо два-три раза энергично взболтать. После окрашивания деталь промывается теплой водой, сушится и покрывается бесцветным лаком.
Нанесение надписей и рисунков на оргстекло методом травления
Способ травления оргстекла сходен со способом травления металла. Деталь из оргстекла нагревается до 60—70° и покрывается ровным слоем парафина. На нее переводится надпись или рисунок. Затем по контуру надписи удаляется парафин острием иглы и кончиком ножа. После этого деталь из оргстекла опускается на 5—10 мин в концентрированную серную кислоту. В том месте, где был удален парафин, происходит травление, и оргстекло становится молочно-белого цвета. Когда травление заканчивается, деталь тщательно промывается в воде и сушится.