С одной стороны вопрос простой и может быть задвинут фразой: «возьми ёмкость побольше с запасом и всё». Но что делать если ёмкости побольше нет или есть ограничения в материале, из которого будет готовиться сплав? Как понять хватит того, что есть в наличии или нет?

В самом начале, когда приобретался опыт в литейном деле у нас был один интересный случай. После расчёта ремённой передачи, нам нужно было сделать шкивы. Приобретать заготовки для таких целей неоправданно, ведь их можно сделать самим, тем более что проект «Литейка» уже был запущен.

Для отливки заготовки шкива была подобрана подходящая консервная банка. По диаметру был небольшой запас, он составлял всего около двух миллиметров. По высоте лишних было около пяти – шести миллиметров. После того как в банку был вылит жидкий металл и остужен, заготовку понесли к токарному станку. Сняв с диаметра лишние два миллиметра, принялись за работу с поверхностью торца. Ещё до того, как резец что-либо срезал, у нас уже не хватало одного миллиметра, плюс ещё была усадочная воронка. В итоге заготовка была забракована. Первая мысль была что мы каким-то образом ошиблись в размерах банки (кокиля). Так как некоторые консервные банки после первой отливки не портятся и их можно использовать повторно, то у нас была возможность разобраться с произошедшим сразу «по горячим следам». Повторно измерив банку, мы убедились, что в этой части ошибки не было и её нужно искать где-то в другом месте.

Потом были подозрения что был неправильно учтён коэффициент теплового расширения. Коэффициентом температурного расширения называют физическую величину, характеризующую изменение линейных размеров твердого тела при изменении его температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения. Пришлось погрузиться в литературу. В процессе изучения было обращено внимание на такую физическую величину как плотность алюминиевых сплавов. Но заинтересовала не столько сама плотность, сколько её поведение при изменении агрегатного состояния металла. Получается следующее, что при переходе сплава из твердого в жидкое состояние его плотность снижается скачкообразно с 2,55 до 2,34 г/см3 и с ростом температуры продолжает падать. Более наглядно это можно увидеть на графике ниже:

Учитывая данное свойство, делаем вывод, что алюминиевый сплав в жидком состоянии, по объёму может быть больше аж на 15 %. Вот тут и были украдены или не учтены те миллиметры. По-научному это звучит так: при переходе алюминиевого сплава из жидкого в твердое состояние происходит уменьшение удельного объема. Процент уменьшению объема зависит от литейного сплава, то есть от его включений. Данное поведение физической величины может вызывать один из типов брака в виде усадочных полостей, пор или трещин. Описанное физическое явление называется объёмной усадкой. На производстве с ней успешно научились бороться.

Как можно бороться с усадочными воронками и полостями в условиях хобби и домашних мастерских? Есть два метода. Первый это размещение литниковой системы. Второй обеспечить температурный контроль процесса затвердевания сплава.

Литниковая система представляет собой совокупность элементов литейной формы в виде каналов и полостей, предназначенных для подвода расплава в форму, обеспечивая ее заполнение и питание отливок во время затвердевания.

В гаражных условиях для формы цилиндрических заготовок рекомендуется делать стакан-питатель. Он представляет собой толстую вертикальную трубку, которая служит для подачи расплава в литейную форму. После заполнения формы, во время застывания заготовки, когда запускается процесс усадки, он дополнительно обеспечивает подпитывание её расплавом. При таком подходе усадочная воронка будет уже образовываться не в заготовке, а в стакане-питателе.

Температурный контроль процесса затвердевания это подогрев формы как до момента заполнения, так и после. Если не использовать литниковую систему, а только подогревать расплав сверху, то возможно удастся избежать усадочной воронки. Но от эффекта уменьшения удельного объема никуда не деться. В этом случае нужно будет закладывать + 15% к высоте будущей заготовки.

Если в гаражных условиях применить оба метода, то процент брака по части усадочных раковин и воронок в заготовках будет стремиться к нулю.

Примечание: именно температурный коэффициент расширения после застывания сплава позволяет алюминиевой заготовке беспрепятственно покинуть форму. Помимо алюминия максимальный температурный коэффициент расширения при нагреве имеет цинк — его диапазон составляет от 22·10-6 до 34·10-6 1/град. Также при нагревании ещё хорошо расширяется и магний. В таблице ниже приведены значения температурного коэффициента расширения для алюминия, цинка и магния.

Какой из этого нужно сделать вывод? Получается, что для качественной отливки цилиндрических заготовок необходимо учитывать одно из следующих условий:
    - подогревать форму до и во время заливки и использовать литниковую систему;
    - если только подогревать форму до заливки, то потребуется увеличить уровень заливки расплава до 15%. После заполнения формы потребуется подогревать расплав сверху, контролируя его застывание;
    - если не использовать литниковую систему и не подогревать форму и расплав, то необходимо будет увеличить уровень заливки расплава на 25–30%. И всё равно в этом случае вероятность брака, конечно, будет больше. Стоит ещё добавить, что эти 25–30% придётся на токарном станке стачивать в стружку, а литник можно обрезать и позже целиком переплавить или пустить на другие детали.

В следующей части мы предоставим онлайн калькулятор для расчёта литейного процесса для цилиндрических форм.