Metody wytwarzania odlewów stopów żelaza i metali nieżelaznych
Wykonanie formy
Metody odlewania
Krzepnięcie metalu w formie
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
W 3:
Odlewnictwem nazywa się dziedzinę techniki obejmującą wytwarzanie części
maszyn lub przedmiotów przez wypełnianie ciekłym metalem odpowiednio
przygotowanych form. Otrzymane przedmioty nazywamy ogólnie odlewami, a
metodę ich wytwarzania – odlewaniem.
Metodą odlewania wykonuje się przede wszystkim części maszyn (do 80%) w
przemyśle samochodowym, lotniczym, okrętowym, zbrojeniowym itp. Spotykamy ją
również wielu innych dziedzinach np. w budownictwie, jubilerstwie, produkcji
implantów, itp.
Proces odlewania obejmuje następujące etapy:
1) przygotowanie modelu przedmiotu,
2) przygotowanie materiałów formierskich,
3) przygotowanie formy odlewniczej,
4) przygotowanie stopu odlewniczego,
5) zalanie formy ciekłym metalem,
6) krystalizacja metalu w formie,
7) wyjęcie odlewu formy,
8) oczyszczenie i wykończenie odlewu.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2
Ze względu na rodzaj metalu
wlewanego do formy:
• odlewnictwo żeliwa,
• odlewnictwo staliwa,
• odlewnictwo metali nieżelaznych
ciężkich oraz lekkich.
Przygotowania do procesu
odlewania
METODY WYTWARZANIA ODLEWÓW
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 3
POJĘCIA PODSTAWOWE
Najczęściej stosowanym sposobem wykonywania odlewów jest zalewanie ciekłym
metalem formy jednorazowej, sporządzonej z masy formierskiej. Formę wykonuje
się (najczęściej) z dwóch lub kilku części, aby umożliwić wyjęcie modelu.
Formy i rdzenie po ich wykonaniu suszy się, żeby stały się dostatecznie wytrzymałe.
Ciekły metal doprowadza się do wnętrza formy kanałami (wykonanymi w czasie
formowania), które stanowią tzw. układ wlewowy.
Po wypełnieniu formy ciekłym metalem, jego zakrzepnięciu i ostygnięciu wyjmuje się
odlew, oczyszcza z zanieczyszczeń i usuwa zbędne dodatki zakrzepłego metalu
(układ wlewowy). Proces ten nazywa się wykończaniem odlewu.
Wykończony odlew sprawdza się pod kątem wad odlewniczych i wymagań
technicznych (odbiór i kontrola jakości).
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 4
Forma odlewnicza – zespół elementów, które po złożeniu odtwarzają kształt
odlewanego przedmiotu oraz układu wlewowego.
Model – element odwzorowania w formie kształtów zewnętrznych odlewu.
Rdzenie – elementy formy odtwarzające kształty wewnętrzne odlewu.
Znaki rdzeniowe - to elementy gniazdowe modelu i rdzenia.
Rdzennica – przyrząd służący do wykonania rdzenia.
Masa formierska i rdzeniowa – mieszanina podstawowych i pomocniczych
materiałów formierskich służąca do wykonania form jednorazowych i rdzeni.
ETAPY PROCESU ODLEWNICZEGO
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 5
1. Opracowanie dokumentacji technologicznej odlewu - rysunki
uwzględniający sposób odlewania i naddatki, układ wlewowy i
nadlewy, formę, niezbędne oprzyrządowanie.
2. Wykonanie modelu oddającego zewnętrzne
kształty odlewu. Modele wykonuje się
przeważnie jako dzielone z drewna, wosku lub
tworzywa sztucznego.
4. Wykonanie rdzeni oddających kształty wewnętrzne. Wykonuje
się je ręcznie według wzorników lub maszynowo.
1 – naddatek, 2 – znaki rdzeniowe, 3 – połówki rdzennicy,
4 – rdzeń, 5 – skrzynki formierskie, 6 – gniazda rdzeniowe,
7 – układ wlewowy
5. Wykonanie i złożenie formy – odpowiednio uformowane połówki
formy uzupełnia się przygotowanym rdzeniem. W jednej z
połówek wykonuje się układ wlewowy, pozwalający na
kontrolowane wypełnianie formy roztopionym metalem.
3. Przygotowanie masy formierskiej i
rdzeniowej
7. Wybicie odlewów z form i wstępna obróbka
wykańczająca: usunięcie układów wlewowych i
oczyszczenie odlewów.
6. Przygotowanie ciekłego metalu i zalanie formy.
DOKUMENTACJA TECHNOLOGICZNA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 6
Rysunek surowego odlewu powinien zawierać:
• dane rozpoznawcze (nazwa, nr), tworzywo, miarę skurczową i klasę dokładności,
• powierzchnię podziału formy odlewniczej,
• bazy obróbkowe dla wyjściowej operacji obróbkowej,
• naddatki technologiczne na obróbkę skrawaniem,
• pochylenia i zbieżności ścian odlewu zgodnie z płaszczyzną podziału formy,
• dane dotyczące wymiarów, odchyłek i wymagań specjalnych, np. obróbka cieplna,
• układ wlewowy i nadlewy.
Rysunki • konstrukcyjne gotowego wyrobu,
• koncepcyjne sposobu odlewania,
• surowego odlewu,
• zespołu modelowego
• formy odlewniczej,
• oprzyrządowania specjalnego.
Karty
• technologiczne,
• instrukcyjne,
• kalkulacji wykonania odlewu,
• prób,
• warunki techniczne odlewu.
Powierzchnia podziału dzieli odlew,
formę i skrzynkę odlewniczą na dwie lub
więcej części i przebiega ona zasadniczo
przez największy przekrój przedmiotu.
UKŁAD WLEWOWY
Układ wlewowy – system kanałów wykonanych w formie, w celu doprowadzenia
ciekłego metalu do wnęki formy. Dodatkowo powinien on zapewniać oczyszczenia
strugi metalu od przypadkowych wtrąceń i zanieczyszczeń (np. żużla) oraz
zasilanie krzepnącego odlewu ciekłym stopem (skurcz).
Zbiornik wlewowy ZW (1), wlew główny WG (2), wlew
rozprowadzający WR (3), oddzielacz (4,5), wlew
doprowadzający WD (6), nadlew boczny (7), przelew (8), nadlew
górny (9)
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 7
Przy zalewaniu grawitacyjnym rozróżnia się dwa typu układów wlewowych:
• zamknięte - układy ciśnieniowe, spełniają warunek geometryczny
FWG> FWR> FWD
• otwarte - minimalny przekrój dławiący umieszcza
się zazwyczaj na początku wlewu głównego lub
rozprowadzającego:
FWG< FWR< FWD Układ wlewowy oblicza się wychodząc z kryterium
optymalnego czasu zalewania lub jego geometrii.
MODELE ODLEWNICZE
Model odlewniczy jest przyrządem o kształcie odpowiadającym odlewanemu
przedmiotowi, uwzględniającym wielkość skurczu metalu w czasie krzepnięcia.
Wszystkie modele można wykonać jako modele dzielone i niedzielone
i z częściami odejmowanymi. Do formowania ręcznego, czyli do produkcji
jednostkowej i małoseryjnej wykonuje się je z drewna. Znacznie bardziej trwałe są
modele metalowe wykonywane najczęściej ze stopów aluminium, miedzi i żeliwa.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 8
Modele bezpośrednio odtwarzające kształt odlewu: są to
modele bezrdzeniowe (modele naturalne), dzielone lub nie.
Modele pośrednio odtwarzające kształt
odlewu wymagające stosowania
skrzynek rdzeniowych (rdzennic).
Modele uproszczone.
MATERIAŁY FORMIERSKIE
Do wykonywania form służą masy formierskie, a rdzeni - masy rdzeniarskie.
Masy formierskie składają się z mieszaniny
• piasków kwarcowych 85-90% - odpowiedniej ziarnistości,
• gliny ogniotrwałej 5-10% - stanowiącej lepiszcze
• dodatków 2-6% - zwiększających spoistość masy: melasa, dekstryna, pokost
• wody 2-5%.
Masy rdzeniarskie muszą się cechować wyższą wytrzymałością i
przepuszczalnością niż masy formierskie, co związane jest ze stosowaniem
odpowiedniego lepiszcza.
Pomocnicze materiały formierskie: lepiszcza, dodatki (pył węglowy, grafit, mączka
kwarcowa, pył siarkowy), proszki rozdzielcze (pył kwarcowy, kreda, talk).
Masy formierskie powinny charakteryzować się odpowiednią:
• plastycznością - zdolnością odtwarzania kształtów, zależną od ilości lepiszcza i wilgoci;
• spoistością - zdolność do przeciwstawiania się zewnętrznym obciążeniom;
• przepuszczalnością - zdolnością przepuszczania par i gazów tworzących się
podczas wypełniania formy metalem,
• podatnością - zdolnością do zmiany kształtu pod wpływem skurczu odlewu;
• ognioodpornością - odpornością na działanie wysokich temperatur.
Masy formierskie dzielą się na: przymodelowe (świeże) i wypełniające (używane), do
odlewania na sucho i mokro, naturalne i sztuczne.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 9
MASZYNY FORMIERSKIE
Przygotowanie mas formierskich
przeprowadza się na specjalnych urządzeniach i
obejmują one takie czynności jak:
• suszenie
• rozdrabnianie
• przesiewanie
• mieszanie i nawilżanie
• spulchnianie
NARZĘDZIA I PRZYRZĄDY FORMIERSKIE
Do ręcznego wykonywania formy
służą specjalne narzędzia
formierskie:
do zaformowania modelu w
skrzynce lub w podłożu odlewni,
do wyjmowania modelu,
naprawiania i ostatecznego
wykończenia formy.
1,2 - ubijaki duże, 3,4 - ubijaki małe, 5 - ubijak
pneumatyczny, 6 - gładziki płaskie, 7 - gładziki
krawędziowe, 8 - jaszczurki, 9 - sito, 10 -łopata,
11 - lancet z haczykiem, 12 - haczyk do
wyjmowania modelu, 13 - pędzel
Oprzyrządowaniem modelowym
nazywa się przyrządy, za pomocą
których odtwarza się wnękę formy
odlewniczej:
• modele
• płyty modelowe
• rdzennice
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 11
FORMY
Większości odlewów wykonuje się w
skrzynkach formierskich. Stanowią one
rodzaj sztywnych ram, sporządzonych
najczęściej z żeliwa, blachy stalowej,
lekkich stopów, tworzyw sztucznych.
Skrzynki te wypełnia się masą formierską.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 12
Formy dzielimy na:
• jednorazowe - wykonywane najczęściej z
piasku
• półtrwałe - wykonywane z materiałów
ceramicznych (grafit, szamot), służą do
kilkukrotnego użytku
• trwałe (kokile) – formy wykonywane z
metali, wnęka często pokryta jest napyloną
cienką niemetaliczną warstewką izolującą,
służą do wielokrotnego użytku (kilka,
kilkanaście tysięcy cykli).
FORMOWANIE RĘCZNE
Formowanie ręczne obejmuje:
• formowanie w gruncie,
• formowanie w skrzynkach,
• formowanie z modelu niedzielonego,
• formowanie z modelu dzielonego,
• formowanie z obieraniem,
• formowanie z modelu z częściami odejmowanymi,
• formowanie na fałszywce
• formowanie z wzornikiem.
Formowanie w gruncie
otwarte
Formowanie w gruncie
pod skrzynką
Elementy obierane
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 13
FORMOWANIE RĘCZNE
1. Ustawienie modelu na płycie
2. Nałożenie dolnej skrzynki formierskiej
3. Nakładanie masy przymodelowej (30-50mm)
4. Napełnienie skrzynki masą wypełniającą
5. Ubijanie masy w skrzynce
6. Zgarnięcie nadmiaru masy zagęszczonej
7. Kanały odpowietrzające przez nakłuwanie
8. Obrócenie dolnej połowy formy, ustawienie
górnego znaku rdzeniowego i elementów
układu wlewowego
9. Ustawienie górnej skrzynki formierskiej
10. Wypełnienie masą górnej skrzynki
11. Zdjęcie górnej połowy formy, obrócenie o
180 i kontrola twardości
12. Wstawienie rdzenia do dolnej części formy
13. Montaż formy, jej obciążenie i zalanie
ciekłym stopem
14. Wybicie surowego odlewu
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 14
FORMOWANIE MASZYNOWE
Formowanie maszynowe przeprowadzane jest na maszynach
formierkach, służących do mechanicznego zagęszczania
masy i wyjmowania modelu z formy. Dzielimy je na formierki:
• Z ręcznym ubijaniem masy,
• Prasujące lub doprasowujące – stosowane prawie
wyłącznie do form małych i średnich. Skrzynkę napełnioną
masą formierską po brzegi ramki nastawczej dociskamy płytą
prasującą za pomocą sprężonego
powietrza.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 15
Prasowanie za pomocą
płyty prasującej
FORMOWANIE MASZYNOWE
• Narzucarki - metoda łączy wypełnianie formy i zagęszczania
masy. Polega na narzucaniu małych porcji masy z dużą
prędkością (30m/s). Przeznaczona do form dużych i bardzo
dużych o średnim stopniu skomplikowania wnęki formy.
• Nadmuchiwarki i strzelarki – stosowane prawie wyłącznie do
rdzeni małych i średnich oraz wstępnego zagęszczania form.
Masa rdzeniowa jest porywana i zagęszczania pod wpływem
dużej prędkości strumienia masy ciśnieniowej (0.4-0.5 MPa)
wywołanej przez gwałtowne spalanie mieszanki gazów palnych
lub pod wpływem sprężonego powietrza, (0.4-0.6 MPa), które
działa jak tłok.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 16
FORMOWANIE MASZYNOWE
Schemat działania wstrząsarki
pneumatycznej
Zagęszczanie przez wstrząsanie z
doprasowaniem
• Wibracyjne - wykorzystuje się drgania o
częstotliwości 60-100 Hz i amplitudzie 0.5-0.7 mm;
czas zagęszczania około 10s. Przeznaczona do
zagęszczania form średnich i dużych o masach
sypkich lub ciekłych.
• Mieszarko-nasypywarki –
stosowane do rdzeni, a także form
średnich i dużych. Ślimakowe
mieszadło dozuje do skrzynki masę
formierską, którą należy dogęścić
ręcznie lub wibracyjnie.
Prasowanie za pomocą elastycznej
przepony
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 18
Przygotowanie ciekłego metalu
i zalewanie form
Staliwo – techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C oraz innymi pierwiastkami,
odlany do form, nie przerobiony plastycznie.
Tworzywa odlewnicze - jednymi z najistotniejszych wymagań, obok określonych
właściwości eksploatacyjnych, jest zdolność płynięcia, wypełniania i
odwzorowywania wnęki formy odlewniczej (lejność) przez płynny metal.
Tworzywa odlewnicze dzielimy na stopy żelaza oraz stopy metali nieżelaznych
takich jak: stopy Mg, Al, Ti, Cu, Ni, Co, Zn, Pb.
Staliwa niestopowe – zwykłej i wyższej jakości, Rm = 400-550 MPa, 0.25% C,
1-1.5% Mn, 0.6% Si, P ≤ 0.035, S ≤ 0.035, Ni + Cr + Cu + Mo + V ≤ 1%
Staliwa stopowe
• konstrukcyjne (~1.5% Cr, Mn) - stosowane na silnie obciążone odlewy, dobra
wytrzymałość i plastyczność oraz znaczną odporność na zmienne obciążenia
• odporne na ścieranie (~6.5% Cr, Mn) - s. Hadfielda
• odporne na korozję (~25% Cr, ~31% Ni, Mo, Cu)
• żaroodporne i żarowytrzymałe - odporne jest na utlenianie
w temperaturach oraz dużą wartość właściwości
mechanicznych (~30% Cr, ~40% Ni, ~2.5% Si)
• narzędziowe (Cr, Ni, Mo, V)
ŻELIWO
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 19
Żeliwo – stop żelaza z węglem i z innymi
pierwiastkami jak Mn, Si, P, S o zawartości
węgla 2-6.67% stosowany w postaci odlewów.
Żeliwo szare - grafit w postaci płatkowej, Rm
~270 MPa, 3.2÷3.5% C, ~2.2% Si, ~1.2% Mn
Modyfikowane – węgiel żarzenia
Sferoidalne – grafit kulkowy
Wermikularne – grafit krętkowy
Żeliwo białe – węgiel w postaci związanej Fe3C
Ciągliwe - plastyczne, wydłużenie do 12%.
Żeliwo połowiczne (pstre) – węgiel w postaci cementytu i grafitu.
Żeliwa stopowe
O podwyższonej odporności na ścieranie - Ni, Cr, Al, Si, Mn ( łącznie >20%)
Żaroodporne i żarowytrzymałe – Cr, Si, Al
Odporne na korozję – Si, Ni, Cu,
Do pracy w niskiej temperaturze (T > 200 C).
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 20
Siluminy – to odlewnicze stopy Al zawierające 11-14% Si oraz
5-25% innych pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg i Ni.
Mają doskonałe właściwości odlewnicze i mechaniczne.
Najczęściej odlewane w kokilach i pod ciśnieniem.
Brązy – to odlewnicze stopy Cu zawierające powyżej 2% Zn oraz nnymi
pierwiastkami (Al, Si, Be, Ni, Mn, Pb).
• Cynowe – na silnie obciążone i narażone na ścieranie elementy
maszyn (spiż),
• Aluminiowe – dobra odporność korozyjna – śruby okrętowe,
• Krzemowe – nie iskrzą – narzędzia w przemyśle petrochemicznym,
• Ołowiowe – b. mały współczynnik tarcia - panewki łożysk ślizgowych,
• Berylowe – b. wysoka wytrzymałość (Rm = 1200 MPa, A = 25%).
Elektron – to odlewniczy stopy Mg z 3-11% Al, 5% Zn
oraz 0.5% Mn. Charakteryzuje się on bardzo wysoką
wytrzymałością (~210MPa) przy gęstości ok. 2 g/cm3.
Stosowany na części lotnicze i silniki wyczynowe.
NIEŻELAZNE STOPY ODLEWNICZE
Mosiądze – stopami odlewniczymi są tylko stopy wielofazowe (Cu: ~50% Zn,
~18%Al, 2% Pb, Mn, Fe), ze względu na dobrą odporność korozyjną
stosowane są na odlewy armatury i w przemyśle okrętowym.
PIECE ODLEWNICZE
Rozróżnia się następujące rodzaje pieców:
• szybowe,
• tyglowe,
• płomieniowe,
• elektryczne: oporowe, łukowe i indukcyjne
Jako źródło ciepła wykorzystuje się koks,
pył węglowy, gaz opałowy, mazut lub prąd
elektryczny.
Piec tyglowy
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
KADZIE ODLEWNICZE
Kadzie odlewnicze:
a) łyżka odlewnicza,
b) kadź z widłami,
c) kadź suwnicowa otwarta,
d) kadź suwnicowa zamknięta,
e) kadź przechylna z przegrodą,
f) kadź syfonowa (czajnikowa),
g) kadź zatyczkowa
22
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 23
Specjalne metody odlewania
Klasyfikacja odlewów - kryterium rodzaju formy
IV i V
III i IV
II i III
I i II
II i III
I
II i III
II i III
Klasa
dokładności
Odchyłka
[mm]
Klasa chrop.
Ra [m]
I 0.1-0.4 1.6-25
II i III 0.3-0.4 6.3-50
III i IV 0.4-1.2 12.5-100
IV i V 0.7-2 50-200
O doborze metody wytwarzania odlewu decydują
cechy odlewu oraz charakter jego produkcji:
materiał odlewu
wielkość odlewu (gabaryty, masa)
wymagana dokładność
wymagana chropowatość
seryjność produkcji odlewu
wymagana wydajność
koszt oprzyrządowania
warunki związane ze środowiskiem pracy i otoczenia
cena
ODLEWANIE DO FORM PIASKOWYCH
Formy piaskowe to formy jednorazowe wykonywane z masy formierskiej. Po zalaniu
metalem i jego skrzepnięciu, forma jest niszczona w celu usunięcia z niej odlewu.
III, IV i V klasa dokładności wykonania odlewów.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 24
Formy piaskowe dokładne
Formowanie w rdzeniach - do wykonywania odlewów o bardzo skomplikowanych
kształtach.
Formowanie próżniowe - polega na wiązaniu ziaren czystego piasku za pomocą sił
wywołanych stanem trójosiowego ściskania, który powstaje w wyniku różnicy
ciśnień - atmosferycznego i obniżonego.
Metoda pełnej formy (Lost Foam) - po wykonaniu modelu ze
spienionego polistyrenu (styropianu) pokrywa się go powłoką
ochronną i umieszcza w skrzynce, gdzie obsypuje się go masą
samoutwardzalną lub suchym piaskiem pozbawionym lepiszcza i
zagęszcza wibracyjnie. Podczas zalewania styropianowy model
ulega stopieniu a następnie zagazowaniu, natomiast metal
wypełnia wnękę.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 25
Formowanie skorupowe jest prostą i szybką odmianą odlewania w formie
piaskowej. Stosowane do produkcji seryjnej i masowej form i rdzeni odlewów
małych i średnich, o wysokich wymaganiach wymiarowych i dobrej gładkości
powierzchni. II i III klasa dokładności wykonania odlewów.
Masa formierska:
- czysty, płukany i drobnoziarnisty piasek kwarcowy,
- 4-8% sproszkowanej nowolakowej żywicy fenolowej,
- 10-12% w stosunku do żywicy urotropiny jako utwardzacza,
- 0,1% nafty jako środka powodującego lepsze rozprowadzenie żywicy.
Masa formierska jest mieszaniną, której utwardzenie zachodzi pod wpływem temperatury.
ODLEWANIE DO FORM SKORUPOWYCH
Zalety metody to:
• możliwość zastosowania do wszystkich stopów odlewniczych,
• możliwość wykonania odlewu cienkościennego
• duża gładkość powierzchni formy,
• duża dokładność wykonania.
Wady: • wysoki koszt materiałów formierskich, • skomplikowane i drogie maszyny do
formowania, • ograniczona masa odlewu do 100kg.
FORMY SKORUPOWE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 26
Formy składają się z dwóch lub więcej części (skorup) o grubości nieprzekraczającej
6-10mm, wykonanych z piasku kwarcowego otoczonego żywicą termoutwardzalną.
Masę nasypuje się na podgrzaną (ok. 220-280 C) płytę modelową.
Żywica topi się i spaja ziarna piasku.
Obracamy płytę o 180 i usuwamy nadmiar piasku.
Utwardzamy warstwę masy 350 C.
Łączymy z innymi skorupami.
Obsypujemy dodatkowo pisakiem.
Zalewamy metalem. Proces Croninga
ODLEWANIE KOKILOWE
Odlewanie kokilowe jest to odlewanie grawitacyjne do form trwałych.
Do odlewania metali żelaznych stosujemy kokile wykonane z żeliwa sferoidalnego lub
staliwa, a do odlewów z metali kolorowych - kokile z żeliwa szarego.
W kokilach mogą być stosowane rdzenie piaskowe – do Cu, żeliwa i staliwa, oraz
metalowe - do metali nieżelaznych.
Zalety:
• niskie koszty produkcji (seryjnej)
• dobra jakość powierzchni
• możliwość odlewania kształtów
skomplikowanych
• drobnoziarnista struktura ( wytrzym.)
Wady:
• niemożność uzyskania odlewu
cienkościennego.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 27
W celu otrzymania odlewu dobrej jakości oraz zwiększenia trwałości kokili, pokrywa
się ich powierzchnie ogniotrwałymi powłokami ochronnymi.
ODLEWANIE KOKILOWE GRAWITACYJNE
Jest stosowane w produkcji masowej. W procesie metal odlewany jest do formy
metalowej odtwarzającej kształt zewnętrzny odlewu, wypełniając ją pod działaniem
siły ciężkości. II i III klasa dokładności wykonania odlewów.
Zalety (w stosunku do form piaskowych):
• większa dokładność wymiarowa i jakość powierzchni.
• polepszenie struktury odlewów,
• duża oszczędność materiałów formierskich,
• łatwość stosowania mechanizacji i automatyzacji,
• zwiększenie wydajności produkcji,
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 28
Wady:
• trudności uzyskania odlewów cienkościennych,
• znaczne naprężenia cieplne,
• większą anizotropowość właściwości na
przekroju ścianki.
1. oczyszczenie powierzchni kokili i rdzeni metalowych,
2. podgrzanie do 150-200 C i naniesienie warstwy pokrycia izolującego,
3. oczyszczenie kokili sprężonym powietrzem i złożenie formy,
4. zalanie kokili ciekłym metalem i zakrzepnięcie odlewu,
5. wyjęcie rdzeni metalowych i rozłożenie kokili,
6. wyjęcie odlewu.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
ODLEWANIE CIŚNIENIOWE
Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem – forma wypełniana jest pod
niewielkim ciśnieniem nie przekraczającym 0.2 MPa. Stosowana tylko do
odlewania stopów metali nieżelaznych. Istnieją dwie wersje tego procesu:
• z nadciśnieniem,
Wady:
• wysokie koszty urządzenia, gdyż kokila związana jest z jednym
piecem,
• wyższe koszty eksploatacji (droga instalacja
ciśnieniowa - konieczność częstej
wymiany rur wlewowych).
Zalety procesu:
• zmniejszenie lub wyeliminowanie nadlewów, gdyż odlew w czasie krzepnięcia
połączony jest z ciekłym metalem w piecu,
• lepsze niż przy odl. kokilowym grawitacyjnym wypełnienie formy,
• lepsza lejność metalu wskutek wyższej temperatury,
• łatwiejsza mechanizacja i automatyzacja procesu.
• z przeciwciśnieniem.
29
ODLEWANIE CIŚNIENIOWE
Pod wysokim ciśnieniem - polega na wprowadzeniu metalu do wnęki formy pod
ciśnieniem od kilkudziesięciu do kilkuset MPa. Stosowane w masowej produkcja
odlewów małych i średnich (do 50 kg), o dowolnym kształcie i bardzo dużych
dokładnościach wymiarowych oraz o cienkich ściankach. Najczęściej stosowane
jest do odlewania stopów miedzi, ołowiu, aluminium, cyny i cynku.
Wyróżniamy maszyny z:
• gorącą komorą ciśnienia: powietrzne i tłokowe
• zimną komorą ciśnienia: poziome i pionowe.
30
Główne zalety:
• dokładne i szybkie wypełnienie wnęki formy,
• duża gładkość i dokładność wymiarowa odlewów,
• wysoka wydajność procesu.
Wady odlewania ciśnieniowego:
• wysoki koszt maszyn i oprzyrządowania,
• trudności w odlewaniu odlewów grubościennych (porowatość),
• długi czas przygotowania produkcji,
• ograniczenie do stopów
Zn, Al, Mg.
ODLEWANIE ODŚRODKOWE
Polega na użyciu siły odśrodkowej do wypełnienia wnęki formy odlewniczej, a w
niektórych odmianach, także do kształtowania jednej z powierzchni odlewu.
Zastosowanie: seryjna i masowa produkcja odlewów o kształtach brył obrotowych
(rury, tuleje, pierścienie, bębny hamulcowe, obudowy łożysk, koła, wały).
II i III klasa dokładności wykonania odlewów.
Wyróżniamy odlewanie odśrodkowe:
• z osią odlewu pokrywa się z osią obrotu w układzie poziomym (L > 1-5D) i
pionowym (L < D, ze względu na spływanie w dół ciekłego metalu).
• pod ciśnieniem odśrodkowym z osią wirowania pokrywającą się z osią wlewu
głównego - do odlewów o dowolnych kształtach. Odlewanie pod
ciśnieniem odśrodkowym Odlewanie odśrodkowe
właściwe
ODLEWANIE METODĄ WYTAPIANYCH MODELI
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 32
Metoda polega na wykonaniu modelu z substancji łatwotopliwej, którą pokrywa się warstwą ceramiczną. Następnie model wytapia się, skorupę wypala i zalewa ciekłym metalem.
Zastosowanie do produkcji seryjnej i wielkoseryjnej drobnych odlewów o najwyższej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni - przemysł precyzyjny, zbrojeniowy, narzędziowy.
Masa modelowa to mieszanina parafiny, stearyny, cerezyny, kalafoni, wosku pszczelego itp.
Masa ceramiczna: sproszkowana mączka kwarcowa, cyrkonowa, szamotowa, mulit, sylimanit oraz spoiwa – roztwory na bazie krzemianu etylu lub szkło wodne.
1000 C
Zalety procesu: • zastępowanie drogich odkuwek i obróbki
skrawaniem poprzez odlew precyzyjny, • możliwość uzyskania złożonych kształtów, • możliwość wykonania odlewu z dowolnego
stopu
PRZYKŁADOWA SKRZYNKA FORMIERSKA
Rozmieszczenie poszczególnych elementów
na płycie modelowej
Skrzynka formierska
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 33
Czas krzepnięcia
odlewu
Porowatość
skurczowa
odlewu
Odlew z układem
wlewowym i nadlewem Zalewanie odlewu
SYMULACJA KOMPUTEROWA PROCESU ODLEWANIA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 34
Krzepnięcie odlewu
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 35
Stygnięcie ciekłego metalu i
krzepnięcie odlewu
Po zalaniu formy ciekłym metalem rozpoczyna się proces krzepnięcia i stygnięcia
odlewu. Towarzyszą mu następujące zjawiska:
Tworzenie się warstwy powierzchniowej
Powstawanie wtrąceń niemetalicznych
Tworzenie się pierwotnej struktury odlewu
Skurcz metalu
Problem temperatury w różnych
częściach odlewu!!!
KRYSTALIZACJA METALU
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 36
Wyróżniamy następujące formy krystalizacji:
Warstwową
Objętościową
Rzeczywistą
Do najważniejszych czynników wpływających na tworzenie się
odlewu w formie należą:
temperatura zalania, płynność stopu i temperatura krzepnięcia,
skurcz w stanie ciekłym, w czasie krzepnięcia i w stanie stałym,
właściwości termofizyczne (przewodność cieplna, ciepło
właściwe) i techniczne (wytrzymałość, przepuszczalność)
materiału formy,
sposób krystalizacji (decyduje o strukturze odlewu),
właściwości stopu (wytrzymałość w wysokich temperaturach,
przewodność cieplna, ciepło właściwe, ciepło krzepnięcia)
Struktura pierwotna odlewu jest to struktura, jaką ma metal
bezpośrednio po skrzepnięciu. Podczas stygnięcia po
skrzepnięciu, mogą zachodzić przemiany w stanie stałym,
tworząc zupełnie nową strukturę materiału. Ślady struktury
pierwotnej (rozkład zanieczyszczeń) pozostają nadal w materiale
i mogą istotnie oddziaływać na jego właściwości.
Warstwę wierzchnią odlewu (~1.5 mm) charakteryzują następujące elementy:
TWORZENIE WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 37
Chropowatość powierzchni - zależy przede
wszystkim od wielkości jego ziarna i jednorodności
masy formierskiej. Wzrost stopnia zagęszczenia
masy utrudnia jej penetrację przez ciekły metal, a
więc poprawia gładkość.
150
100
50
Ch
rop
ow
ato
ść
po
wie
rzc
hn
i [
m]
0.2 0.16 0.1 0.063 0.05
Wielkość ziarna [mm]
Warstwa metalowo-ceramiczna na
powierzchni odlewów staliwnych
Struktura metalograficzna – może znacznie różnić
się od struktury głębszych warstw odlewu. Wynika
to ze zróżnicowanych warunków krystalizacji
tworzywa odlewniczego. Typowym przykładem są
tzw. zabielenia, czyli miejscowe występowanie
węgla w postaci cementytu zamiast grafitu.
Wtrącenia - w ciekłym metalu mogą one występować w zawiesinie lub w roztworze.
Jeżeli zanieczyszczeniem jest gaz, to podczas krystalizacji powstają pory gazowe; a
jeżeli ma postać ciekłą lub stałą, to powstają wtrącenia niemetaliczne.
Uzyskanie krzepnięcia kierunkowego zapewniają:
• właściwa konstrukcja odlewu (równomierna grubość ścianek, brak
węzłów cieplnych)
• właściwy sposób odlewania (w czasie krzepnięcia temperatura w
nadlewie powinna być najwyższa, stosowanie zróżnicowanych
materiałów formierskich)
• stosowane do stopów tworzących dużą jamę skurczową.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 38
Powstawaniu jam skurczowych zapobiega się przez
zastosowanie:
Krzepnięcia jednoczesnego - zachodzi gdy wszystkie części
odlewu krzepną jednocześnie. Uzyskujemy to przez
doprowadzanie metalu do najcieńszych fragmentów odlewu
lub przez stosowanie ochładzalników.
Krzepnięcia kierunkowego - rozpoczyna się w częściach o
najmniejszym przekroju, potem w coraz grubszych i kończy się w
części najgrubszej (np. w nadlewie) - w niej powinna się znaleźć jama
skurczowa.
KRZEPNIĘCIE ODLEWÓW
Procesowi krzepnięcia i stygnięcia odlewu towarzyszy skurcz metalu, spowodowany
zmniejszeniem wymiarów odlewu w stosunku do wymiarów modelu. Jest to związane z:
• zmianą stanu skupienia
• wydzielaniem się nowych faz lub przemianami alotropowymi.
SKURCZ METALU
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 39
Skurcz objętościowy
Skurcz liniowy
V1 / L1 – objętość / długość
wnęki formy
V2 / L2 - objętość / długość
odlewu w temp. pokojowej
Sv =V1 − V2V1
∙ 100%
SL =L1 − L2L1
∙ 100%
Teoretyczny przebieg krzepnięcia
żeliwa szarego o zawartości 3.2% C,
1.8% Si
Skurcz całkowity: staliwa - 5-7%, stopy
aluminium - 3-5%, stopy miedzi - 4-7%
WADY SKURCZOWE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 40
Badania RTG
skoncentrowana rozproszona
Jama skurczowa
Bezpośrednim następstwem skurczu, jest tworzenie się w odlewie jam i rzadzizn,
oraz zmniejszenia się wymiarów odlewu. Ich powstawanie musi być uwzględnione
zarówno w konstrukcji odlewu jak i przy opracowywaniu technologii jego odlewania.
Nadlewy górne
Odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego, np. przez dodanie nadstawki,
pozwala na przesunięcie jam i rzadzizn
skurczowych poza obszar właściwego
odlewu i zapewnienie pożądanego
sposobu krzepnięcia.
W trakcie wypełniania formy ciekłym metalem, pojawiają się następujące problemy:
1. Problem „niedolewów” w wyniku niezdolności do płynięcia metalu.
2. Problem minimalnej grubości ścianki odlewu.
3. Hamowanie przepływu metalu - ciśnieniu metalostatycznemu (pm=m•h)
przeciwstawiają się opory przepływu.
TRUDNOŚCI WYPEŁNIANIA FORMY
Zdolność do płynięcia metalu
w formie zależy od:
• właściwości metalu (przewodność cieplna,
ciepło właściwe i krystalizacji, lepkość)
• właściwości formy (ciepło właściwe,
przewodność cieplna)
• warunków zalewania formy (temperatura
metalu i formy, wysokość układu wlewowego)
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 41
Mimo, że metal posiada zdolność do płynięcia może
nie odtworzyć dokładnie szczegółów
(krawędzie, naroża, wnęki). Wiąże się to ze
zwilżalnością formy metalem, określaną kątem
zwilżalności (90-180 dla większości metali), który
zależy od wartości napięć międzyfazowych.
Krawędzie odlewu należy zastąpić promieniami.
Stygnięciu odlewu w stanie stałym oprócz skurczu, towarzyszy powstanie naprężeń
odlewniczych. Ich przyczyną jest:
• mechaniczne hamowanie skurczu, związane z różną rozszerzalność cieplna formy
i metalu
• cieplne hamowanie skurczu, związane z nierównomiernym stygnięciem i
kurczeniem się części odlewu,
• przemiany fazowe, którym towarzyszą zmiany objętości.
NAPRĘŻENIA ODLEWNICZE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 42
W punktu widzenia mechaniki naprężenia te dzielimy na:
naprężenia I rodzaju - w obszarach wymiarowych odlewu (tzw. makroskopowe), są
one przyczyną odkształceń i pęknięć w odlewach i noszą nazwę naprężeń własnych
lub odlewniczych;
naprężenia II rodzaju - równoważne w objętości kryształów;
naprężenia III rodzaju - w obszarach sieci krystalicznej.
Naprężenia II i III rodzaju wpływają na właściwości mechaniczne tworzywa.
Skłonność do tworzenia się naprężeń odlewniczych zależy od właściwości tworzywa
oraz rodzaju formy odlewniczej. Ze stopów odlewniczych największą skłonność do
tworzenia naprężeń odlewniczych wykazuje staliwo. Większe naprężenia wykazują
także odlewy wykonywane w formach metalowych.
WADY ODLEWÓW
Wady odlewnicze dzieli się na:
• wady dopuszczalne,
• wady naprawialne,
• wady dyskwalifikujące odlew.
Produkcja odlewów bez pewnej ilości odlewów wadliwych nie jest praktycznie
możliwa. Przyjmuje się 2-4% odlewów wadliwych po wprowadzeniu danej
technologii i stabilizacji produkcji. Im później w procesie technologicznym odlew jest
zabrakowany, tym ponoszone straty są wyższe.
Rozróżniamy następujące rodzaje wad odlewniczych:
1. kształtu do których zaliczamy niedolewy, przestawienia, uszkodzenia
mechaniczne i zalewki.
2. powierzchniowe surowego odlewu, powodowane masą formierską i jakością
formy – chropowatość, przypalenia, wżarcia, zaprószenia i zanieczyszczenia,
oberwania, zdarcia, wypchnięcia i wady pochodzenia gazowego (pęcherze).
3. przerwy ciągłości czyli pęknięcia na gorąco i na zimno.
4. wewnętrzne – porowatość skurczowa, zażużlenia, zapiaszczenia, zabielenia w
odlewach żeliwnych i wady struktury żeliwa.
5. materiału – stwierdza się poprzez badania metalograficzne wytrzymałościowe,
składu chemicznego, (niezgodności z wymaganiami technicznymi).
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 43
Zgodnie z dokumentacją normatywną wadą odlewu nazywa się każde odchylenie
wymiarów, masy, kształtu, wyglądu zewnętrznego, naruszenie ciągłości materiału,
struktury oraz właściwości mechanicznych lub fizykochemicznych od
obowiązujących wymagań.
Wadę oznacza się symbolem W i numerem wg PN.
WADY ODLEWÓW
Przyczyny występowania wad :
1. niewłaściwa konstrukcja odlewu,
2. wadliwa konstrukcja lub wykonanie modelu,
3. niewłaściwy materiał formierski,
4. nieodpowiednie wykonanie formy,
5. niewłaściwe przygotowanie stopu,
6. źle dobrane warunki zalewania formy,
7. niewłaściwie wykonane wybijanie, czyszczenie i wykańczanie odlewu.
Główną przyczyną powstawania wad są błędy formy (niewłaściwy materiał
formierski, nieodpowiednie wykonanie) oraz warunki jej zalewania.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 44
WADY KSZTAŁTU
Uszkodzenie mechaniczne
Guz
Niedolew
Zalewka
Przesunięcie formy
Wypchnięcie
WADY POWIERZCHNI
Skóra słonia
Chropowatość - przypalony piasek
Pory na powierzchni Strup
Zimny spaw
Blizny
46
WADY WEWNĘTRZNE
Rzadzizny Wtrącenia niemetaliczne
Pęknięcia na zimno i gorąco
Porowatość
Pęcherze gazowe
Jama skurczowa
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 47
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 48
Usuwanie odlewów z form
oczyszczanie i wykańczanie
Proces ten obejmuje wszystkie niezbędne zabiegi przeprowadzane w celu otrzymania
finalnego produktu. W zależności od metody odlewania może on obejmować:
• 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 obróbki mechanicznej, składania, obróbki termicznej …
Czynnością początkową jest wybijanie
odlewów:
• ręczne,
• zmechanizowane - na wstrząsarkach lub
kratach wibracyjnych.
OBRÓBKA WYKAŃCZAJĄCA
Oczyszczanie odlewów z cząstek masy formierskiej,
przywartej do ścian i wnęk odlewów:
• grawitacyjne - czyszczenie wskutek uderzania
odlewów o siebie – bębnowe,
• strumieniowe - śrut, piasek, woda,
• grawitacyjno-strumieniowe,
• specjalne - wibracyjne, ultradźwiękowe, elektrochem.
49
Wykańczanie odlewów polega na:
• usuwanie elementów układu wlewowego, nadlewów;
• usuwanie wad odlewniczych,
• wstępnej obróbce mechanicznej,
• malowanie, emaliowanie, trawienie.
Zestawienie właściwości odlewniczych
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 50
ZESTAWIENIE KOSZTÓW ODLEWANIA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 51
W4 – Obróbka plastyczna na zimno i gorąco,
oraz jej wpływ na strukturę
i właściwości obrabianych materiałów.
Dziękuję za uwagę!
Następne zajęcia :
Prowadzenie: dr inż. Radosław Łyszkowski
Top Related