2.6. Odlewanie

Odlewanie jest główną czynnością podczas produkcji odlewów. Wykonana forma odlewnicza jest wypełniana ciekłym metalem pod wpływem siły grawitacji, odśrodkowej czy też ciśnienia. Po zalaniu odlew jest chłodzony w celu umożliwienia jego krystalizacji, a następnie usuwany z form w celu dalszego chłodzenia i obróbki.[32, CAEF, 1997]

2.6.1. Odlewanie w formach nietrwałych

2.6.1.1. Zalewanie

Stosuje się dwa typy kadzi do rozlewania ciekłego metalu: typu otwarta i syfonowa. Trzeci typ (zatyczkowa) jest bardziej specyficzny dla stali.

- Kadzie otwarte: W tego typu kadź (rys. 2.39), metal jest wylewany przez dziób, z wielkością przepływu kontrolowaną przez pochył kadzi nastawiany przy użyciu ręcznego koła przekładniowego. Zanim metal wypłynie z górnej części kadzi, jego powierzchnia musi być oczyszczona z żużla lub należy zastosować łyżkę do jego zbierania w celu zapobieżenia dostania się żużla do wnętrza formy. Tego typu kadzie są stosowane w niewielkich odlewniach staliwa.

Rys. 2.39. Otwarte kadzie zalewcze do odlewania ciekłego metalu[237, HUT, 2003]

- Kadzie syfonowe: Jak przedstawiono na rysunku 2.40, zapora wykonana z materiału ogniotrwałego przed dziobem kadzi zapewnia, że ciekły metal jest zabierany z dna kadzi, więc jego strumień jest wolny od żużla. Ciekły metal jest zwykle czystszy aniżeli po zastosowaniu kadzi otwartej. Wadą tego typu kadzi jest, że wąski wylew może czasami doprowadzić do zakrzepnięcia metalu. Dzieje się tak, gdy metal jest zbyt zimny, lub gdy czas zalewania się przedłuża.

Rys. 2.40. Syfonowe kadzie zalewcze do odlewania ciekłego metalu[237, HUT, 2003]

- Kadzie zatyczkowe: Kadź jest wyposażona w zatyczkę w podstawie, zamykaną prętem wykonanym z materiału ogniotrwałego. Metal jest odbierany z dna kadzi i dlatego jest wolny od żużla i wtrąceń niemetalicznych, takich jak produkty odtleniania, które mogą wypływać z kąpieli. Strumień metalu płynie ku dołowi, dlatego nie ma ruchów strumienia podczas odlewania. Niekorzystną cechą tych kadzi jest fakt, że prędkość i przepływ strumienia metalu zmieniają się w miarę obniżania poziomu metalu w kadzi.

Rys. 2.41.Zatyczkowe kadzie zalewcze do odlewania ciekłego metalu[237, HUT, 2003]

Automatyczne linie odlewnicze są często wyposażone w piece dozujące. Zasada działania takiego pieca na przykładzie jednego z jego typów została przedstawiona na rysunku 2.42. Taśma odlewnicza zatrzymuje się w momencie, gdy forma zajmuje odpowiednią pozycję, np. pod otworem zalewowym. Metal jest zalewany przez określony czas, regulowany podniesieniem zatyczki. Ponieważ poziom metalu jest utrzymywany na stałym poziomie, stała objętość metalu wpływa do formy. Poziom metalu w piecu dozującym jest kontrolowany za pomocą pływaka , który kontroluje ciśnienie gazu wewnątrz pieca. Piec zalewczy jest napełniany metalem z pieca wytapiającego w stałych przedziałach czasu.[110, Vito, 2001], [174, Brown, 2000]

Rys. 2.42. Piec zalewczy[110, Vito, 2001]

2.6.1.2. Krzepnięcie (pierwszy etap chłodzenia)

Zalane formy są transportowane wzdłuż linii formierskiej na linie chłodzące. Długość odcinka chłodzenia determinuje temperaturę końcową odlewu na stanowisku wybijania. Temperatura ta musi być wystarczająco niska, aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość odlewu podczas wybijania i późniejszych czynności manipulacyjnych.

Duże odlewy nie są przenoszone w trakcie chłodzenia. Czas ich chłodzenia może dochodzić do kilku dni. [110, Vito, 2001]

2.6.1.3. Wybijanie

W przypadku form pojedynczych, wiązanych bentonitem lub chemicznie, formy mogą być wybijane z zastosowaniem ruchu wibracyjnego. W wielu przypadkach jest to realizowane przez umieszczenie za pomocą suwnicy skrzynki formierskiej na kracie wibracyjnej. W rezultacie wibracji zużyta masa jest oddzielana od odlewu i skrzynki formierskiej. Odlew oraz skrzynka formierska pozostaję na kacie wibracyjnej, natomiast zużyta masa opada przez kratę i jest poddawana obróbce. Odlew jest zwykle transportowany do strefy chłodzenia w celu jego dalszego chłodzenia do temperatury otoczenia (drugi etap chłodzenia).

Podobna operacja wybijania jest często przeprowadzana w systemach zmechanizowanych i starszych systemach automatycznych o niewielkiej wydajności (rys. 2.43). W tym przypadku skrzynki formierskie są zdejmowane z przenośników taśmowych, z zastosowaniem podnośników lub innych urządzeń transportowych, i umieszczane na urządzeniach wibracyjnych. W końcowym etapie chłodzenia odlewy są pozostawiane do wystygnięcia, lub umieszczane w urządzeniu chłodzącym. W wielu znanych systemach, masa formierska jest wypychana ze skrzynki formierskiej, następnie odlew i masę poddaje się chłodzeniu w warunkach kontrolowanych, co może mieć miejsce w urządzeniach chłodzących samodzielnie lub wspólnie, na przykład w bębnach chłodzących bądź w chłodziarkach fluidyzacyjnych, przenośnikach łańcuchowych, itp.

Rys. 2.43. Wybijanie odlewu na końcowym odcinku automatycznej linii formierskiej[237, HUT, 2003]

Formy próżniowe są wybijane przez odłączenie od nich próżni. Komora do odlewania próżniowego lub skrzynka formierska , zawierające zużyty piasek formierski i odlew są

opróżniane, a następnie odlew jest chłodzony z zastosowaniem jednej z przedstawionych metod. [32, CAEF, 1997]

2.6.1.4. Chłodzenie odlewu (drugi etap chłodzenia)

Kontrolowane chłodzenie odlewów i zużytej masy może przebiegać w bębnach obrotowych, bębnach wahadłowych lub na przenośniku wibracyjnym rynnowym. Odlew podlega chłodzeniu na wibracyjnych przenośnikach lub w przenośnikach kubełkowych. W wielu przypadkach stosuje się do chłodzenia jest stosowany podmuch powietrza o kierunku przeciwnym do kierunku ruchu odlewu. Czasami w celu przyspieszenia procesu stosuje się również rozpylacze wodne.

2.6.2. Odlewanie w formach trwałych

2.6.2.1. Odlewanie grawitacyjne (kokilowe) i pod niskim ciśnieniem

W odlewaniu grawitacyjnym i pod niskim ciśnieniem stosuje się formę stalową, do której wlewa się ciekły metal w wyniku działania siły grawitacyjnej lub w atmosferze niskiego ciśnienia. Rdzenie piaskowe mogą być w tych technologiach zastosowane w celu odtworzenia precyzyjnych i skomplikowanych wewnętrznych kształtów odlewu. Ze względu na bardzo szybki proces krzepnięcia, odlew wykonany w formach trwałych charakteryzuje się gęstą, drobnoziarnistą strukturą, o dobrych właściwościach mechanicznych. Zasada odlewania pod niskim ciśnieniem została przedstawiona na rysunku 2.44. Metalowa forma jest zamontowana powyżej szczelnego pieca zawierającego ciekły metal. Wyłożona materiałem ogniotrwałym rura wznośna doprowadzająca rozciąga się od dolnej części formy metalowej do pieca zawierającego ciekły metal. W momencie doprowadzenia powietrza do pieca będącego pod niskim ciśnieniem (15-100 kPa) ciekły metal podnosi się wewnątrz rury doprowadzającej i wpływa do komory formy metalowej z przepływem o bardzo małej turbulencji. Powietrze z formy jest odprowadzane przez odpowietrzenia i podział formy. W momencie zakrzepnięcia metalu w formie zostaje odcięty dopływ powietrza do pieca, dzięki czemu ciekły metal znajdujący się w przewodzie doprowadzającym spływa z powrotem do pieca. Po określonym czasie chłodzenia odlewu, forma otwiera się i wyjmowany jest z niej odlew. Ze względu na brak wlewów doprowadzających i nadlewów uzyskiwany w tej technologii uzysk metalu jest nadzwyczaj wysoki, zwykle powyżej 90%. W wyniku odlewania pod niskim ciśnieniem można uzyskiwać odlewy o dużej dokładności wymiarowej i dobrej jakości powierzchni. Możliwe jest również wykonywanie skomplikowanych odlewów z wykorzystaniem rdzeni piaskowych. Technologia ta jest zwykle stosowana do wykonywania odlewów ze stopów aluminium, na przykład takich części motoryzacyjnych jak kołpaków, głowic cylindrów, obudowy silników elektrycznych oraz na przykład do wytwarzania naczyń kuchennych. W celu optymalizacji procesów usuwania odlewów z formy i chłodzenia forma metalowa musi być pokrywana powłoką ochronną. Zwykle powłokę nanosi się raz na zmianę. Forma metalowa wytrzymuje zwykle około 30000-50000 zalań. Przykładowy widok maszyny do odlewania pod niskim ciśnieniem został przedstawiony na rysunku 2.45.

Rys. 2.44. Zasada działania urządzenia do odlewania pod niskim ciśnieniem[175, Brown, 1999]

Rys. 2.45. Maszyna do odlewania pod niskim ciśnieniem[237, HUT, 2003]

Przy odlewaniu kokilowym, ciekły metal jest wlewany do formy metalowej pod wpływem siły ciężkości. Maszyny do odlewania kokilowego (kokilarki) mogą być proste ze stelażem otwieranym ręcznie, zalewane ręcznie, lub skomplikowane, karuzelowe, zwykle z mechanizmem pochylania w celu zapełnienia ciekłym metalem, które zwykle jest realizowane robotem zalewającym. Formy są pokrywane powłokami ochronnymi bazującymi na materiałach ogniotrwałych, które sterują procesem chłodzenia. Czas, po którym odlew może być usuwany z formy waha się od 4 do 10 minut w zależności od rodzaju odlewu. Proces ten jest więc stosunkowo wolny w porównaniu z odlewaniem pod niskim ciśnieniem. W celu zwiększenia uzysku, operator obsługuje w kolejności 2-4 formy, dzięki czemu może wykonać 30-60 odlewów na godzinę. Automatyczna maszyna typu karuzelowego może posiadać 4 do 6 zespołów zbiorowych form, dzięki czemu można uzyskiwać na nich wydajność około 1 odlewu na minutę. Technologia ta jest dość szeroko stosowana dla odlewów ze stopów

aluminium i dla serii odlewów od 1000 do ponad 100000 sztuk na rok. W ten sposób wykonuje się na przykład odlewy kolektorów, głowic cylindrów, pomp wodnych.

Powłoki na formy metalowe są zwykle wykonane z wykorzystaniem wody jako nośnika, wysokotemperaturowego materiału wiążącego (zwykle krzemianu sodu) oraz wypełniacza ogniotrwałego lub mieszaniny wypełniaczy. Rozróżnia się dwa rodzaje powłok:- izolacyjne: zawierające mieszaniny nieorganicznych materiałów izolacyjnych, takich

jak talk, mika, ziemię okrzemkową, dwutlenek tytanu, tlenek glinu, itp.- smarne: bazujące na graficie koloidalnym lub azotku boru, stosuje się je w celu

ułatwienia usuwania odlewu z formy.

Powłoki są zwykle natryskiwane na formę. Dbałość o odpowiednie przygotowanie formy, przygotowanie i naniesienie powłok oraz rodzaj urządzenia do nanoszenia powłok, może znacząco podnieść jakość i zdolność produkcyjną.

2.6.2.2. Odlewanie do form trwałych pod wysokim ciśnieniem

Określenie „ odlewanie do form trwałych – die casting” często dotyczy „odlewania do form trwałych pod wysokim ciśnieniem – high-pressure die casting”. W procesie tym wykorzystuje się formę trwałą (formę metalową), do której pod wpływem działania wysokiego ciśnienia wlewa się ciekły metal. Zastosowanie wysokiego ciśnienia powoduje turbulentny przepływ metalu, co pozwala na wykonanie odlewów charakteryzujących się dużą powierzchnią i małą grubością ścianki. Formy są zwykle wykonane z dwóch bloków stalowych, każdy zawierający część wnęki formy, które są złączone razem w momencie wykonywania odlewu. Ze względu na wysokie ciśnienie metalu, maksymalny wymiar odlewu jest ograniczony maksymalną siłą zwierania formy. W celu odtworzenia wewnętrznych powierzchni odlewu stosowane są wciągane i wyjmowane rdzenie. Ze względu na wysokie ciśnienie metalu, mogą być stosowane jedynie rdzenie metalowe. To ogranicza możliwy stopień skomplikowania odlewu. Metal jest utrzymywany pod ciśnieniem do momentu wystudzenia i zakrzepnięcia. Po zakrzepnięciu połówki formy są otwierane, a odlew jest wyjmowany, zwykle z wykorzystaniem zautomatyzowanego systemu wyciągania odlewu. Przed użyciem formy są podgrzewane i pokrywane środkiem smarnym, a następnie są chłodzone powietrzem lub wodą w celu utrzymania pożądanej temperatury. Stosuje się dwa podstawowe rodzaje maszyn do odlewania w formach trwałych pod wysokim ciśnieniem (HPDC): maszyny zimnokomorowe i maszyny gorącokomorowe (patrz rysunek 2.46)

Rys. 2.46. Maszyny zimnokomorowa i gorącokomorowa do odlewania pod wysokim ciśnieniem

[42, US EPA, 1998]

Maszyny do odlewania gorącokomorowe posiadają zbiornik ciekłego metalu, formę trwałą i urządzenie transportujące metal, które automatycznie zabiera ciekły metal ze zbiornika i pod ciśnieniem wymusza jego przepływ do formy metalowej. Stalowy tłok i system cylindra z gęsią szyjką wymusza wytworzenie niezbędnego ciśnienia wewnątrz formy. Gęsia szyjka jest wykonana w formie kanału żeliwnego, którym ciekły metal jest transportowany ze zbiornika do formy. Ciśnienie w tych maszynach może wynosić od kilku barów do ponad 350 barów. Maszyny gorącokomorowe są stosowane do wykonywania odlewów ze stopów cynku i magnezu.

Zimnokomorowe maszyny ciśnieniowe charakteryzują się tym, że zbiornik ciekłego metalu jest oddzielony od maszyny. Stosuje się ręczne lub mechaniczne zalewanie łyżką ilości metalu wystarczającej na wykonanie jednego odlewu. Metal wlewa się do niewielkiej komory, z której pod wpływem ciśnienia, jest transportowany do wnęki formy. Ciśnienie jest wytwarzane przez system hydrauliczny, połączony z tłokiem, i zwykle wytwarza ciśnienie w zakresie do 700 barów. W maszynach zimnokomorowych stosuje się metal o temperaturze niewiele powyżej temperatury topnienia, w stanie lekko-płynnym. Z tego powodu metal jest w kontakcie z tłokiem i komorą prasowania tylko przez bardzo krótki czas. Proces ten jest zwykle stosowany do odlewania aluminium, i w mniejszym zakresie stopów magnezu, cynku i nawet czasami mosiądzów i brązów.

Odpowiednie smarowanie komory oraz tłoka prasującego jest bardzo ważne dla uzyskania dobrego odlewu ciśnieniowego. Smarowanie formy wpływa na jakość odlewu, gęstość, jakość powierzchni, łatwość wypełniania wnęki formy oraz łatwość wyjmowania odlewów z form. Odpowiednie smarowanie może także zwiększyć wydajność, obniżyć koszty konserwacji i obniżyć zjawisko narastania materiału na powierzchni formy. W większości materiały smarne są mieszaniną smaru i materiału nośnego (nośnika). Materiały te mogą także zawierać dodatki hamujące korozję, zwiększające stabilność w czasie magazynowania i chroniące przed degradacją bakteryjną. Materiały smarne to zwykle typowe oleje nieorganiczne z parafiną w roztworze wodnym. Coraz większe zastosowanie znajdują oleje silikonowe i syntetyczne woski. Obecnie w użyciu są zarówno środki smarne bazujące na wodzie jak i na rozpuszczalnikach. Jednakowoż środki bazujące na roztworach wodnych wyraźnie zdominowały rynek (około 95%). Środek smarny jest nanoszony na otwartą formę przez natryskiwanie, pomiędzy każdym kolejnym odlewem. Materiały smarne zwykle w stosunku 1:20-1:200 (materiał smarny:woda) są również spotykane. Obecnie w fazie badań znajdują się alternatywne proszkowe elektrostatyczne środki smarne.

Odlewanie w formach trwałych pod wysokim ciśnieniem nie jest stosowane do stopów żelaza. Technologia ta znalazła szerokie zastosowanie do stopów aluminium. Formy metalowe są bardzo drogie, lecz mogą wytrzymywać nawet do 150000 zalań. Z tego też względu technologia ta najlepiej nadaje się do odlewów wielkoseryjnych. Głowna zaletą odlewania pod wysokim ciśnieniem nad innymi technologiami odlewniczymi jest możliwość wykonywania bardzo skomplikowanych odlewów. Możliwość odlewania skomplikowanych kształtów czyni możliwym wytworzenie produktu w formie jednego odlewu zamiast składania go z elementów odlewanych. To bardzo ogranicza koszty odlewania, jak również produkcji oraz obróbki. Dlatego też odlewanie w formach trwałych pod wysokim ciśnieniem, charakteryzujące się dużą dokładnością wymiarową i zapewniające dobrą jakość powierzchni w porównaniu do innych metod odlewania może w znacznym stopniu ograniczyć lub wyeliminować kosztowne procesy obróbki. Z wykorzystaniem tego procesu mogą być wykonywane odlewy cienkościenne. Rezultatem tego mogą być oszczędności materiału oraz ograniczenie masy komponentów.

W aktualnie stosowanych procesach odlewania w formach trwałych pod wysokim ciśnieniem wytwarzana jest stosunkowo mała ilość zanieczyszczeń, w porównaniu z innymi metodami. Jednak pewna ilość emisji gazowej i pyłowej ma miejsce podczas wtryskiwania metalu. Pyły tlenków metali powstają w wyniku parowania i kondesacji pewnej ilości niektórych metali. Emisja gazowa może pochodzić ze: stopionego metalu; przemian substancji chemicznych, ze środków smarnych natryskiwanych na gorącą formę metalową oraz ich kontaktu z ciekłym metalem. Emisja do wody może mieć miejsce, gdy pojawi się wyciek z systemu hydraulicznego, nagrzewania olejowego lub chłodzenia wodnego.[42, US EPA, 1998], [128, IHOBE, 1998], [175, Brown, 1999], [225, TWG, 2003]

2.6.2.3. Odlewanie odśrodkowe

W procesie odlewania odśrodkowego, podczas zalewania forma trwała obraca się z dużą prędkością dookoła własnej osi. Prędkość obrotowa oraz tempo zalewania zmieniają się w zależności od rodzaju odlewanego stopu, wielkości oraz kształtu odlewanego elementu. Oś obrotu jest zwykle pozioma lub nachylona pod niewielkim kątem (rys. 2.47). Niektóre urządzenia specjalne stosują ruch obrotowy wokół osi pionowej. W rezultacie uzyskuje się materiał o bardzo gęstej strukturze i właściwościach, których nie można by uzyskać przy odlewaniu w formach piaskowych.

Technologia ta jest stosowana do wykonywania odlewów cylindrycznych z żeliwa, staliwa oraz stopów aluminium, miedzi i niklu. Typowymi produktami wytworzonymi z zastosowaniem tej technologii są rury, kotły, zbiorniki ciśnienia, koła zamachowe, wykładzina cylindrów i inne obrotowe symetryczne przedmioty.[179, Hoppenstedt, 2002]

Rys. 2.47. Schemat maszyny do odlewania odśrodkowego[179, Hoppenstedt, 2002]

2.6.2.4. Odlewanie ciągłe

Odlewanie ciągłe jest wysokowydajnym pomysłem na produkcję belek, rur i profili, w których w wyniku gwałtownego chłodzenia, otrzymuje się drobnoziarnisty materiał o dobrych właściwościach mechanicznych. W technologii tej stopiony metal jest odlewany do formy chłodzonej wodą, otwartej na dnie lub ścianie bocznej (rys. 2.48).Forma gwarantuje otrzymanie odlewu o wymaganym kształcie. Przez intensywne chłodzenie, zewnętrzna powierzchnia odlewu krzepnie w momencie powolnego wypychania odlewu z formy. Dzięki ciągłemu odlewaniu metalu do formy i wyciąganiu odlewu wychodzącego z niej produkcja ma charakter ciągły. Produkt jest przecinany palnikiem w momencie gdy tylko uzyska

wymagany wymiar. Technologia ta jest stosowana zarówno do wykonywania odlewów ze stopów żelaza, jak i z metali nieżelaznych. Stosowana jest do odlewania belek, płyt i arkuszy jako finalnych produktów, ze stopów żeliwa, stali i metali nieżelaznych. Opis szczegółowy tej technologii zamieszczony został w dokumencie referencyjnym dla przemysłu metali nieżelaznych [155, European IPPC Bureau, 2001] oraz w dokumencie referencyjnym dla produkcji żelaza i stali [211, European IPPC Bureau, 2000].

Rys. 2.48. Schemat procesu odlewania ciągłego[179, Hoppenstedt, 2002]

2.7. Operacje wykańczania i procesów obróbczych odlewów

Proces wykończenia surowego odlewu obejmuje wszystkie niezbędne zabiegi przeprowadzane w celu otrzymania finalnego produktu. W zależności od procesu z użyciem którego wykonany został odlew, możliwe są różne konieczne fazy jego wykańczania, takie jak:

- usunięcie układów wlewowych i nadlewów,- usunięcie pozostałości masy formierskiej z powierzchni odlewu oraz masy rdzeniowej z

wewnętrznych otworów odlewu,- usuniecie zadziorów,- naprawa wad odlewu,- przygotowanie odlewu do mechanicznej obróbki końcowej, składania, obróbki

termicznej, malowania,….

W niektórych przypadkach odlewnie zajmują się składaniem odlewów, obróbką powierzchniową i malowaniem odlewów. Niniejszym tych czynności nie omówiono w tym dokumencie. Obróbka powierzchniowa i malowanie zostały szczegółowo omówione w

dokumencie referencyjnym dla przemysłu obróbki powierzchniowej metali (STM BREF) i obróbki powierzchniowej z użyciem rozpuszczalników (STS BREF)[110, Vito, 2001], [225, TWG, 2003]

2.7.1. Usuwanie układu wlewowego

W ramach procesu wykańczania odlewów w celu usunięcia układu wlewowego (rys. 2.49), przeprowadza się następujące operacje:- uderzanie, obcinanie na prasie: stosuje się je w przypadku materiałów kruchych, takich jak

na przykład żeliwo szare, żeliwo białe, żeliwo ciągliwe, gdzie wszelkie zadziory i nadlewy mogą zostać odbite. Coraz częściej stosuje się do tego celu urządzenia hydrauliczne,

- szlifowanie z użyciem tarczy szlifierskich: może się to odbywać ręcznie, półautomatycznie i automatycznie,

- cięcie: w celu usunięcia dużych kawałków w stalach węglowych lub niskostopowych stosuje się palniki acetylenowo-tlenowe. W przypadku odlewów ze stali wysokostopowej stosuje się proszkowe palniki tlenowo-acetylenowo lub tlenowo-propanowe,

- piłowanie: Stopy wrażliwe na wysoką temperaturę, na przykład aluminium są najczęściej piłowane.

Rys. 2.49. Odlew z układem wlewowym[237, HUT, 2003]

Dzięki dobremu skonstruowaniu połączeń odlew-nadlew wlewowy, nadlew może się odłamać od odlewu podczas wybijania. Zwykle dzieje się tak dla odlewów z żeliwa szarego.

2.7.2. Usuwanie masy

Usuwanie piasku odbywa się zwykle w komorach strumieniowych. Środkiem, za pomocą którego oczyszcza się odlewy może być piasek lub kulki szklane. Oczyszczanie płyt modelowych oraz form trwałych odbywa się z użyciem kulek szklanych, kulek aluminium lub suchego lodu. Przykład odlewu przed procesem i po procesie obróbki strumieniowej przedstawiono na rysunku 2.50.

Rys. 2.50. Odlew przed (po stronie lewej i w środku) i po obróbce strumieniowej po stronie prawej) [237, HUT, 2003]

Stosuje się wiele rodzajów obróbki strumieniowej. Rozpędzenie śrutu jest realizowane z użyciem sprężonego powietrza lub na łopatkach turbiny. Obróbka przebiega w zamkniętym pomieszczeniu, ze szczelnie zamkniętymi drzwiami.Odlewy są podwieszone na zawieszkach i odpowiednio przemieszczane wewnątrz kabiny.W przypadku mniejszych odlewów stosuje się specjalny pas do przemieszczania. Duże odlewy są śrutowane ręcznie, z wykorzystaniem lancy w zamkniętej kabinie. W takich przypadkach wymagane jest bardzo restrykcyjnie przestrzeganie zasad BHP. Wymagany jest również kask z pochłaniaczem pyłów i urządzeniem do oddychania.

Szorstki pył (piaskowy i metalowy), który powstaje w wyniku obróbki strumieniowej, jest zbierany razem ze śrutem.Śrut jest odpylany, przesiewany i poddany oddzielaniu magnetycznemu. Frakcje drobne są wychwytywane z powietrza z frakcjami grubymi przez filtr workowy. Oczyszczanie śrutu przed ponownym użyciem jest bardzo ważne, gdyż piasek mógłby spowodować szybkie niszczenie powierzchni łopatek rzutowych.

2.7.3. Usuwanie zadziorów

Zadziory tworzą się w miejscu, w którym stykają się części formy i rdzenia, na odpowietrzeniach i na innych nierównościach powierzchni, są one usuwane z użyciem tarcz szlifierskich i kamieni szlifierskich. Tarcze szlifierskie są zamontowane w urządzeniach ręcznie sterowanych, natomiast przy zastosowaniu kamienia szlifierskiego odlew zostaje przyciśnięty do obracającego się kamienia szlifierskiego.

Inne stosowane technologie obejmują:- szlifowanie ślizgowe: zadziory oraz niewielkie ilości innych nadmiarowych materiałów na

powierzchni odlewu mogą być usuwane z uniknięciem ręcznego szlifowania. Odlewy są umieszczane w bębnie lub w komorach wibracyjnych wraz z kształtkami ściernymi, w wyniku tego następuje proces ścierania pomiędzy odlewami a kształtkami ściernymi. W typowym urządzeniu odlewy są ścierane z wykorzystaniem kamieni szlifierskich o kształcie piramidy, w otoczeniu wodno-pieniącej emulsji. Szorstkość oraz rozmiary kształtów piramidowych zmienia się w zależności od wielkości odlewów.

- ocieranie bębnowe: Ta technologia zwana także „blast removal”, jest stosowana do usuwania cienkich, niewielkich zadziorów lub innych pozostałości na powierzchni odlewów. W czasie tego procesu zadziory są usuwane w wyniku uderzania o siebie w bębnie. Podczas tego procesu następuje również zaokrąglanie krawędzi. Proces ten czasami przebiega w obecności cieczy.

Rys. 2.51. Zadziory (po lewej) i ich usuwanie z użyciem kamienia szlifierskiego (środek) i szlifowania ślizgowego [237, HUT, 2003]

Automatyzacja tych operacji jest trudna ze względu na różnorodność kształtów zadziorów i konieczności naprawy odlewu możliwie prostymi i szybkimi sposobami. Nie mniej jednak automaty szlifierskie są coraz częściej stosowane przy produkcji seryjnej. Surowe odlewy są umieszczane w takiej maszynie, podlegają obróbce i nie wymagają dodatkowej obróbki czy szlifowania ręcznego.

Poza tym w liniach automatycznych zastosowano następujące techniki:- uderzanie: z powodu zastosowania cięcia, niektóre z odlewów są często konstruowane w

taki sposób, że nie do uniknięcia zadziory powstają w ustalonych ilościach w miejscach łatwo dostępnych. W przypadku gdy seria odlewów jest wystarczająco duża, urządzenia uderzające mogą być konstruowane w celu szybkiego usuwania zadziorów i umożliwiają produkcję odlewu o właściwym kształcie

- frezowanie: wraz z rozwojem elektronicznych urządzeń kontrolno-sterujacych w maszynach obróbczych, stało się dużo łatwiejsze opracowanie skompilowanego programu do obróbki indywidualnych elementów. Dlatego stało się możliwe zastosowanie frezarek przy mniejszych seriach w miejsce innych urządzeń, wymagających oprzyrządowania specyficznego dla każdego odlewu. W tym procesie element obrabiany jest podnoszony przez automat i kierowany do obróbki w zespole frezarek.

W celu łączenia oraz naprawy odlewów może być również stosowane spawanie. W zależności od wymagań i urządzeń, operacja ta może być prowadzona zarówno z wykorzystaniem elektrod prętowych, jak i drutu. Spawanie może odbywać się w atmosferze gazu obojętnego lub bez niego. Cięcie ukośne stosuje się dla odlewów staliwnych, wymagających wykonania rowka w celu pozbycia się naprężeń. Wykonuje się to z użyciem palnika z elektrodą węglową pokrywaną miedzą.[32, CAEF, 1997], [110, Vito, 2001], [202, TWG, 2002]

2.8. Obróbka cieplna

2.8.1. Wprowadzenie

W przypadku odlewów ze stopów żelaza wyróżnia się dwa zasadnicze typy obróbki cieplnej, które mogą być stosowane: wyżarzanie i utwardzanie. W przypadku wyżarzania, naprężenia spowodowane wykonaniem odlewu i następnie jego chłodzeniem są obniżone-struktura odlewu wyrównuje się. Przy utwardzaniu, odlew nagrzewa się do temperatury powyżej temperatury przemiany, a następnie gwałtowne się go chłodzi, w procesie znanym jako hartowanie. To powoduje zmianę właściwości materiału. Po zastosowaniu chłodzenia wodnego, olejowego lub w powietrzu mogą zostać osiągnięte różne rezultaty. Procedura nagrzewania odlewu do temperatury odpuszczania po hartowaniu i następnym ponownym hartowaniu nosi nazwę „ulepszania cieplnego”.

Proces uplastyczniania żeliwa jest procesem obróbki cieplnej różniącym się od wyżarzania i utwardzania. W procesie uplastyczniania, w zależności od przeprowadzonej procedury odlew surowy o strukturze cementytu jest obrabiany cieplnie do zakresu temperatury „białej” - struktury ferrytyczno-perlitycznej lub „czarnej” – struktury ferrytyczno-grafitowej.

Wiele odlewów wykonanych ze stopów metali nieżelaznych jest stosowanych w postaci „as-cast – w postaci odlanej” (jako odlewy surowe), lecz niektóre ich zastosowania wymagają wyższych właściwości mechanicznych niż uzyskiwane bezpośrednio po odlaniu. Możliwymi metodami obróbki cieplnej tych stopów są wyżarzanie, kontrolowane chłodzenie, obróbka cieplna w roztworach, starzenie i przesycanie.[32, CAEF, 1997], [175, Brown, 1999]

2.8.2. Piece do obróbki cieplnej

2.8.2.1. Piece komorowe

Piece komorowe są najbardziej rozpowszechniona konstrukcją pieców. Ich obecna konstrukcja była zastosowana w wielu konstrukcjach pośrednich w celu zaspokojenia potrzeb różnych typów obróbki cieplnej realizowanej dla różnych rodzajów odlewów i technologii. Niektórymi przykładami pieców komorowych są piece z wysuwanym trzonem, piece dzwonowe, martenowskie, itp. Piece komorowe z ciągłym systemem transportu są nazywane piecami tunelowymi. Nagrzewanie jest w nich elektryczne, olejowe lub gazowe.

W przypadku metali nieżelaznych, niektóre z rodzajów obróbki cieplnej przebiegają w temperaturze zbliżonej do temperatury topnienia odlewu. Dlatego też wymagana jest duża dokładność pomiaru i regulacji temperatury. W piecach tych spotykana jest wymuszana cyrkulacja powietrza w celu uzyskania pewności, że we wszystkich rejonach pieca panuje taka sama, równa temperatura.[32, CAEF, 1997], [175, Brown, 1999]

2.8.2.2. Piece szybowe

Piec o pionowej, rurowej przestrzeni roboczej często jest wykorzystywany do obróbki cieplnej. Wsad podaje się od góry, ręcznie lub maszynowo. Stosuje się nagrzewanie elektryczne, gazowe lub olejowe

2.8.2.3. Piece do wyżarzania

Piece komorowe, z wysuwanym trzonem lub tunelowe są stosowanego do obróbki cieplnej odlewów. Nagrzewanie w tych piecach może być elektryczne, gazowe lub olejowe.

2.8.3. Hartowanie

W procesach obróbki cieplnej, chłodzenie jest procesem obniżania temperatury odlewu z szybkością wyższą niż w naturalnym, spokojnym powietrzu. Efekt ten może być uzyskany przez gwałtowne zanurzenie w wodzie lub oleju (patrz rys. 2.52), lub przez strumień powietrza. Powinno się zwracać uwagę na równomierność procesu chłodzenia. W przypadku chłodzenia w cieczach, element chłodzony lub ciecz powinny być w nieustannym ruchu w celu zapewnienia i wyrównania prędkości chłodzenia w całej objętości odlewu. Z tego samego względu, chłodzenie w strumieniu powietrza musi zapewniać równe chłodzenie całej powierzchni odlewu.

Rys. 2.52. Hartowanie gorącego odlewu po procesie nagrzewania[237, HUT, 2003]

2.8.4. Obróbka cieplna odlewów z żeliwa sferoidalnego

Przy produkcji odlewów bardzo pożądaną cechą odlewów jest uzyskanie ich wymaganych właściwości w postaci bezpośrednio po odlaniu, dzięki czemu unika się konieczności obróbki cieplnej odlewów. Jednak często ze względu na różnice w grubości ścianki odlewu nie zawsze jest to niemożliwe. Obróbka cieplna odlewów pozwala uniknąć węglików w cienkich ściankach, uzyskiwać spójną, równomierną strukturę i polepszać właściwości mechaniczne uzyskanej struktury, głównie przez wyżarzanie normalizujące struktury ziarnowej. Obróbka cieplna jest niezbędna w przypadku chęci uzyskania struktury martezytycznej.[32, CAEF, 1997], [174, Brown, 2000]

2.8.4.1. Odprężanie (wyżarzanie odprężające)

Odprężanie polega na nagrzewaniu odlewu z prędkością około 50-1000C/h do temperatury 6000C (nie przekraczając temperatury 6100C) i przetrzymanie w tej temperaturze przez czas minimum 1 godziny, plus dodatkową godzinę na każde 25 mm grubości ścianki odlewu w przypadku odlewu o dużych grubościach ścianki, a następnym chłodzeniu odlewu z prędkością 50-1000C/h lub mniejszą. W czasie obróbki odlew musi być właściwie ustawiony wewnątrz pieca, ze zwróceniem uwagi na to, aby nie podlegał żadnym naprężeniom.

2.8.4.2. Usuwanie węglików

W przekroju odlewu surowego – po odlaniu mogą pojawić się węgliki. Można je wyeliminować przez przetrzymywanie odlewu przez czas 3-5 godzin w temperaturze 900-9250C.

2.8.4.3. Wyżarzanie w celu uzyskania struktury ferrytycznej

Wyżarzanie polega na przetrzymywaniu odlewu w temperaturze 900-9250C przez czas 3-5 godzin, a następne chłodzenie z prędkością około 20-350C/h w zakresie temperatury krytycznej (około 800-7100C), i kolejne szybsze chłodzenie około 50-1000C/h do temperatury 2000C.

2.8.4.4. Normalizowanie w celu uzyskania struktury perlitycznej

W celu normalizowania, odlew wygrzewa się w temperaturze powyżej punktu krytycznego, a następnie chłodzi powietrzem. Zwykle stosuje się temperaturę wygrzewania około 900-9250C, co praktycznie powoduje usunięcie węglików. Szybkie chłodzenie w strumieniu powietrza jest stosowane w celu uzyskania struktury perlitycznej. Czas wygrzewania jest zależny od rodzaju zastosowanego pieca oraz wielkości odlewu. W celu uzyskania pełnej struktury perlitycznej niezbędny może okazać się dodatek do ciekłego metalu cyny lub miedzi.

2.8.4.5. Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie polega na austenityzowaniu odlewów w temperaturze 900-9250C i następne chłodzeniu w oleju. Odpuszczanie prowadzone jest zwykle w temperaturze 600-6500C. 2.8.4.6. Żeliwo ADI (Austempered Ductile Iron - żeliwo sferoidalne hartowane z przemianą izotermiczną)

Hartowanie z przemianą izotermiczną jest izotermiczną obróbką cieplną pozwalającą uzyskać strukturę ausferrytyczną. Żeliwo to może wykazywać wytrzymałość dwukrotnie wyższą od żeliwa ciągliwego przy zachowaniu dobrej ciągliwości i twardości. Charakteryzuje się doskonałą odpornością na zniszczenie i zmęczenie, porównywalną do osiąganej w przypadku ulepszanego cieplnie staliwa.

Proces obróbki cieplej ADI jest procesem dwufazowym, tak jak pokazano to na rysunku 2.53. Austenityzowanie odbywa się w temperaturze 815-9300C i powoduje powstanie pełnej struktury austenitycznej. Proces ten odbywa się w piecu w atmosferze nieutleniajacej lub w kąpieli solnej w wysokiej temperaturze. Temperatura oraz czas austenityzowania są uzależnione od składu chemicznego, wielkości odlewu oraz wymaganego gatunku żeliwa ADI. Zwykle stosuje się czasy 1-1,5 godziny. W celu uniknięcia pęknięć w odlewach o skomplikowanej geometrii wymagane jest powolne początkowe nagrzewanie odlewu. Następnie odlew jest chłodzony do temperatury przemiany izotermicznej, zwykle pomiędzy 210 a 4000C. Zwykle odbywa się to w kąpieli solnej. Odlew przetrzymywany jest w tej temperaturze przez czas 1-2 godzin, czyli czas niezbędny do przemiany austenitu w ausferryt. Przetrzymywanie odlewu w niższej temperaturze skutkuje otrzymaniem odlewu o wyższej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, natomiast przetrzymywanie odlewu w wyższej temperaturze skutkuje większą jego plastycznością. Po przemianie izotermicznej odlew jest chłodzony do temperatury otoczenia.

Rys. 2.53. Fazy obróbki cieplnej żeliwa ADI[174, Brown, 2000]

Żeliwo sferoidalne bez domieszek (niestopowe) może podlegać obróbce zmierzającej do uzyskania struktury ADI do zakresu grubości ścianki wynoszącej 8 mm. Odlewy grubsze wymagają dodatku Mo lub Ni w celu zwiększenia hartowności.

Żeliwo ADI jest stosowane w zastępstwie kutych elementów staliwnych, w rolnictwie, kolejnictwie, motoryzacji i przemyśle inżynieryjnym; na przykład na okucia, zęby koparek, klamry, osie, przekładnie, itp. Produkcja odlewów z żeliwa ADI stale wzrasta, lecz ciągle jest ograniczona brakiem odpowiednich urządzeń do obróbki cieplnej. [32, CAEF, 1997], [174, Brown, 2000]

2.8.5. Obróbka cieplna odlewów staliwnych

Odlewy staliwne są zwykle poddawane obróbce cieplnej, np. normalizowaniu, która prowadzi do zmian strukturalnych. Dodatkowo muszą być wyeliminowane potencjalne naprężenia odlewów (wyżarzanie odprężające). Wiele odlewów staliwnych musi dodatkowo po wyżarzaniu odprężającym podlegać obróbce cieplnej (hartowanie, odpuszczanie).

Większość odlewów staliwnych jest poddawanych obróbce cieplnej w celu uzyskania wymaganych właściwości mechanicznych, pozbycia się naprężeń, uzyskania odporności na korozję oraz uniknięcia utrudnień w czasie obróbki wykańczającej. Obróbka cieplna jest dobierana w zależności od gatunku staliwa. W celu wyeliminowania segregacji chemicznej i strukturalnej, zwykle przeprowadza się wyżarzanie w wysokiej temperaturze.Odlewy ze staliwa węglowego i niskostopowego podlegają:- normalizowaniu z chłodzeniem w powietrzu, lub- austenityzowaniu, hartowaniu i odpuszczaniu.Stale austenityczne podlegają wyżarzaniu i hartowaniu w wodzie. Dodatkowa obróbka cieplna taka jak odprężanie czy spawanie jest również stosowana w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych materiału.[32, CAEF, 1997], [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003]

2.8.6. Obróbka cieplna aluminium

Odlewy ze stopów aluminium są obrabiane cieplnie w celu ujednorodnienia, pozbycia się naprężeń, zwiększenia stabilności wymiarowej i obrabialności, zwiększenia wytrzymałości, ciągliwości, twardości i odporności na korozję. Obróbka cieplna stanowi kompromis pomiędzy różnymi efektami, maksymalizując najważniejsze parametry kosztem innych. Obróbka cieplna aluminium może obejmować: wyżarzanie, obróbkę w roztworach, hartowanie, starzenie i przesycanie. W przypadku odlewów wykonanych w formach piaskowych, kokilowych i pod niskim ciśnieniem możliwe są wszystkie wymienione rodzaje obróbki cieplnej, jakkolwiek nie wszystkie są stosowane. Odlewy z technologii wysokociśnieniowej nie mogą podlegać obróbce w roztworach i hartowaniu tymi samymi sposobami jak wymienione wcześniej metodami. Pęcherze gazowe znajdujące się pod powierzchnią tych odlewów mogą ulec rozszerzeniu i spowodować uszkodzenie odlewu. Jedynie około 1% odlewów wykonanych metodą wysokociśnieniową jest poddawanych procesom obróbki cieplnej. W przypadku produkcji felg samochodowych metodą niskociśnieniową około 90% odlewów jest poddawanych obróbce cieplnej.[225, TWG, 2003].

2.8.6.1. Wyżarzanie i odprężanie odlewów ze stopów aluminium

Odlewy o zmieniającej się grubości ścianki oraz o skomplikowanych kształtach są podatne na powstawanie naprężeń wewnętrznych. Naprężenia mogą powodować zmiany wymiarów odlewów podczas obróbki mechanicznej. W celu stabilizacji odlewów i wyeliminowania naprężeń wewnętrznych, odlewy są nagrzewane do temperatury 2000C, przetrzymywane w tej temperaturze przez czas 5 godzin, po czym są powoli chłodzone z piecem.

2.8.6.2. Szybkie chłodzenie w roztworach

Odlewy są nagrzewane do temperatury niewiele niższej od temperatury topnienia i przetrzymywane w tej temperaturze przez długi okres czasu, w celu ujednorodnienia składników stopowych. Następnie odlewy są gwałtownie chłodzone do temperatury otoczenia w roztworach. Jako czynnik chłodzący stosuje się wodę lub inne roztwory specjalne. Zbiorniki z cieczą chłodzącą powinny znajdować się w pobliżu pieca do obróbki cieplnej w celu uzyskania możliwości ich gwałtownego chłodzenia. Czas od wyjęcia odlewu z pieca do rozpoczęcia chłodzenia jest różny dla różnych stopów, lecz dobrą praktyką jest ograniczenie go do zakresu 5-10s.

2.8.6.3. Umacnianie

Proces przebiega przez nagrzanie odlewu do temperatury 150-2000C. W wyniku tego zwiększa się wytrzymałość i twardość odlewu. Proces ten jest zalecany jako utwardzanie strukturalne. Czas przetrzymywania odlewu w podwyższonej temperaturze jest dobrany w zależności od rodzaju stopu.

2.8.6.4. StarzenieNiektóre stopy zwiększają swoją wytrzymałość w wyniku długiego przetrzymywania w temperaturze otoczenia. Proces ten może trwać nawet kilka tygodni, lecz może być przyspieszony przez nagrzanie odlewu do temperatury wyższej od temperatury otoczenia i przetrzymanie go w tej temperaturze przez określony czas.[175, Brown, 1999], [202, TWG, 2002], [213, CTIF and CQRDA, 2002], [212, Zalensas, 1993]

2.9. Kontrola jakości

Podczas kontroli jakości wykończony odlew podlega kontroli i porównaniu go z wymaganiami dotyczącymi na przykład wymiarów, wad strukturalnych, jakości powierzchni. W zależności od rodzaju odlewu i wielkości serii kontrola jakości odlewu może być kontrolą wizualną, z zastosowaniem urządzeń pomiarowych, lub może przebiegać w cyklu automatycznym.Przy produkcji aluminiowych kołpaków kół odlewy są kontrolowane z użyciem analizy promieniami rentgena. Obraz porównawczy prawidłowego odlewu jest porównywany przez program komputerowy z obrazem kontrolowanego odlewu. W przypadku pojawienia się różnic pomiędzy analizowanymi obrazami, są one oglądane przez operatora i podlegają jego ocenie. Rzadką metodą analizy kontroli jakości są analizy widmowe.System kontroli jakości daje informację dotyczącą odrzucenia lub zatwierdzenia odlewu i przekazania go dalej do odbiorcy. Odlewy odrzucone są kruszone, a następnie podlegają ponownemu przetopieniu. [225, TWG, 2003]