MATERIAŁY PRODUKCYJNE – ODLEWNICTWO

1. Charakterystyka procesów technologicznych w odlewni
2. Tworzywa odlewnicze
3. Materiały wsadowe
- podstawowe
- pomocnicze (uzupełniające)
4. Materiały do wytwarzania form i rdzeni
- formy jednorazowe (piaski, spoiwa, dodatki)
- formy trwałe i oprzyrządowanie
5. Materiały ogniotrwałe – właściwości, postać
6. Materiały do obróbki wykańczającej (czyszczenie odlewów, naprawa odlewów, konserwacja, kontrola)
7. Materiały eksploatacyjne
8. Narzędzia i przyrządy

Dobór materiałów do wytwarzania wyrobów:
- materiały produkcyjne – przetwarzane, niezbędne do przetwarzania
- dobór – świadome i racjonalne działanie w oparciu o:
*wiedzę
*założenia np. do czego służy
*wymagania np. w jakich warunkach
*kryteria np. za jaką cenę

Dobór materiału. Dobór sposobu wykonania (metody)
Konstrukcja elementu winna uwzględniać:
- wytrzymałość i sztywność elementu (odlewu)
- poprawność i łatwość wykonania oprzyrządowania
*modeli
*rdzennic
*form trwałych
*narzędzi kontrolnych i pomocniczych
- poprawność i łatwość wykonania form (jednorazowych)
- poprawne zalanie form
- rodzaj odlewanego stopu
- łatwość i niski koszt oczyszczania odlewów
- łatwość i niski koszt obróbki mechanicznej

CECHA – znamię, właściwość, rys. – element odróżniający lub charakteryzujący żywe istoty lub przedmioty, ich czynności i stany oraz zjawiska zachodzące w otaczającej
rzeczywistości

WŁASNOŚĆ – rzecz należąca do kogoś, prawo rozporządzania nią

WŁAŚCIWOŚĆ – cecha czegoś

TWORZYWA ODLEWNICZE – materiały konstrukcyjne przeznaczone na odlewy, kształtowane z fazy ciekłej bądź z jej użyciem
- konwencjonalne: metale i ich stopy
- niekonwencjonalne: np. materiały kompozytowe

MATERIAŁY WSADOWE – wszystko to co ładujemy do pieca

MATERIAŁY DO WYTWARZANIA FORM ODLEWNICZYCH
- jednorazowych (ceramiczne)
- trwałych (kokile, formy ciśnieniowe)

WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW:
- konstrukcyjne, np. właściwości mechaniczne, R

m

, R

q

, E…

- technologiczne, np. lejność, skrawalność, spawalność
- użytkowe (eksploatacyjne), np. odporność na korozję, przewodność cieplna, elektryczna, przejrzystość

CECHY METALI I STOPÓW:
- małe ciepło właściwe
- duża przewodność cieplna
- przewodnictwo elektryczne
- nieprzezroczystość
- podatność na polerowanie na wysoki połysk
- możliwość topienia i spawania
- duża skłonność do krystalizacji
- plastyczność
- odporność na udary

JAKOŚĆ MATERIAŁU METALOWEGO:
Określona jest właściwościami:
- chemicznymi
- fizycznymi
- mechanicznymi
- eksploatacyjnymi
Kształtują się one we wszystkich fazach procesu technologicznego – także w procesie metalurgicznym
Proces metalurgiczny decyduje głownie o:
- składzie chemicznym metalu (lub stopu)
- strukturze metalu (lub stopu) poza krzepnięciem

PIERWIASTKI TWORZĄCE METAL LUB STOP STANOWIĄ:
- składniki stopowe: celowo obecne w określonym zakresie zawartości (im wyższy zakres tym większa jakość)

- domieszki: tolerowane w ilościach w jakich zwykle występują (o jakości decyduje zakres zawartości, zawartość maksymalna)
- zanieczyszczenia: szkodliwe, niepożądane (o jakości decyduje zawartość maksymalna lub suma)

STRUKTURA METALU:
- rodzaj faz występujących w metalu
- kształt wydzieleń tych faz
- wielkość tych faz
- wzajemne usytuowanie faz
Wynika z:
- układów równowagi składników stopowych
- obecności zanieczyszczeń
- warunków stygnięcia i krzepnięcia

MIKROSTRUKTURA I MAKROSTRUKTURA
STRUKTURA PIERWOTNA (BEZPOŚREDNIO PO KRZEPNIECIU):
Ulega zmianom na skutek:
- przemian fazowych w stanie stałym
- obróbki plastycznej
- obróbki cieplnej itd.
Zależy od:
- procesu metalurgicznego
- procesu krystalizacji metalu
Wtrącenia niemetaliczne:
- endogeniczne – pochodzenia wewnętrznego
- egzogeniczne – pochodzenia zewnętrznego
*metaliczne, niemetaliczne, rozpuszczalne, nierozpuszczalne

Podstawowe relacji między różnymi aspektami inżynierii materiałowej:

ZASOBY PRZEDSIĘBIORSTWA PRZEMYSŁOWEGO (ODLEWNI):
1. Nieruchomość:
- teren
- budynki
- hale produkcyjne
- infrastruktura (drogi, bocznice kolejowe, ujęcia wody…)
2. Urządzenia:
- magazynowe
- transportowe
- technologiczne
- kontrolno-pomiarowe
- „środowiskowe” (wentylacja, ścieki)
3. Surowce do produkcji:
- materiały do wytwarzania form i rdzeni
- materiały wsadowe
- materiały ogniotrwałe
- materiały pomocnicze (do produkcji, eksploatacyjne)
4. Energia i media:
- energia elektryczna
- opał (koks, olej…)
- woda
- gazy techniczne
5. Personel:
- zarządzający
- techniczny (konstrukcja, technologia…)
- pomocniczy (BHP, ochrona…)
- administracyjny
6. Finanse

ODLEWNIA (WYTWARZAJĄCA FORMY PIASKOWE)
1. Magazyn materiałów i surowców
2. Modelarnia
3. Formiernia
4. Rdzeniarnia
5. Topialnia
6. Odlewnia (stanowiska zalewania form)
7. Oczyszczalnia
8. Obróbka cieplna
9. Obróbka mechaniczna
10. Malarnia
11. Ekspedycja odlewów

STAŁE SŁUŻBY ODPOWIEDZIALNE ZA:
1. Konstrukcje

cechy użytkowe

właściwości

struktura

technologia

2. Technologię
3. Kontrolę jakości
4. Utrzymanie ruchu
5. Administrację

Schemat odlewni:

MATERIAŁY WSADOWE:
Metalowe:
- gąski (surówki)
- złom: obiegowy (własny), kupiony (z zewnątrz)
- żelazostopy
- zaprawy
Niemetalowe:
- paliwo (stałe, ciekłe, gazowe)
- nawęglacze
- rafinatory
- modyfikatory
- topniki
- gazy techniczne

UZYSK
Masa metalu

𝑈

𝑐

=

𝑀

7

𝑀

1

∙ 100%

𝑈

𝑚

=

𝑀

7

𝑀

3

∙ 100%

WSAD METALOWY:
- skład chemiczny
- obecność zanieczyszczeń
- kawałkowatość (stopień rozdrobnienia)
*Różnego rodzaju gąski (w przypadku żelaza to surówka stopów),
*Złom (tańszy od gąsek): klasyfikowany zewnętrzny–kupny (stabilny co do składu chemicznego) , obiegowy (znany skład)

WSAD NIEMETALOWY:
-kawałkowatość (koks, brykiet)
- wytrzymałość mechaniczna (np. koksu)
- zawartość siarki, wilgoci, popiołu itp. (paliwa)

PIEC

zalanie

formy

montaż formy

odlewniczej

wykonanie

połówek formy

wykonanie

rdzeni

ekspedycja

materiały

eksploatacyjne

materiały
wsadowe

ciekły
metal

sprzęt

kontrolno-

pomiarowy

energia

obsługa

energia

obsługa

energia

obsługa

maszyna

formierska

materiał

formierski

oprzyrządowanie

maszyn

a

oprzyrządowanie

materiał

krzepnięcie i

stygnięcie metalu

wybicie odlewu

z formy

obróbka wykańczająca
odlewu (mechaniczna)

złom

obiegowy

obróbka odlewu np.

cieplna, antykorozyjna

(naprawa)

regeneracja

materiałów

formierskich

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

wsad do pieca

ciekły po stopieniu

wlany do formy

odlewy po usunięciu z formy

odlewy po oczyszczeniu

odlewy po obróbce skrawaniem

odlewy gotowe (sprzedaż)

zgar

rozpryski, skrzepy, próbki

rozpryski, skrzepy

układ wlewowy, nadlewy, braki, wióry, opiłki

zalewki, wiór, opiłki, braki

wióry, opiłki, braki

*Paliwa w stanie stałym
*Paliwa płynne (oleje ciekłe lub gazowa postać) – energia do procesu
*Materiały żużlotwórcze – żużel izoluje metal od atmosfery i umożliwia szereg zabiegów na stopionym metalu

MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE

(do transportu do pieca i do kadzi transportowej, do manewrowania ciekłym metalem), postać zróżnicowana :

- skład chemiczny
- porowatość, nasiąkliwość
- higroskopijność
- właściwości termofizyczne
- temperatura mięknienia
- właściwości mechaniczne
- reaktywność

POKRYWA

(wewnętrze ściany formy, wnęki form, zewnętrzne rdzeni) :

- łatwość tworzenia zawiesin
- trwałość zawiesin – skłonność do sedymentacji
- zwilżalność podłoża
- zdolność do rozpływania
- przyczepność do podłoża
- bezpieczeństwo (palność, toksyczność)

RAFINATORY I MODYFIKATORY:
- higroskopijność
- czystość (chemiczna, fizyczna)
- kawałkowatość postaci (granulat, brykiety, drut itp.)
- temperatura topnienia
- zwilżalność
- toksyczność i bezpieczeństwo stosowania
Dlaczego modyfikacja? Bo chcemy z danego tworzywa uzyskać maksimum korzyści

SURÓWKA SPECJALNA DO ŻELIWA SFEROIDALNEGO
Charakterystyka:
Bardzo niska zawartość Mn, S i pierwiastków śladowych utrudniających krystalizację grafitu w postaci kulkowej, niską zawartością P, dużą czystością, optymalnym kształtem i
masą cząstek.
Zastosowanie:
Surówka przeznaczona jest dla odlewni żeliwa do produkcji żeliwa sferoidalnego wytapianego różnymi metodami. Z powodzeniem może być stosowana do wytwarzania
cienkościennych odlewów z żeliwa sferoidalnego ferrytycznego bez stosowania dodatkowej obróbki cieplnej.

Techniczne stopy żelaza.
Klasyfikacja żeliw


Trzy główne (przypadki) rodzaje żeliwa w zależności od postaci grafitu:
Grafit płatkowy (żeliwo szare) Grafit żarzenia (żeliwo ciągliwe) Grafit kulkowy (żeliwo sferoidalne)

Odmiany grafitu:
Płatkowy prosty

Płatkowy zwichrzony Płatkowy iglasty

Gwiazdkowy Krętkowy (wernikularny) Postrzępiony

Zwarty

Kulkowy nieregularny Kulkowy regularny

Właściwości
Znak żeliwa Wytrzymałość na rozciąganie R

m

MPa

EN-GJL-100

100 - 200

EN-GJL-150

150 - 250

EN-GJL-200

200 - 300

EN-GJL-250

250 - 350

EN-GJL-300

300 - 400

EN-GJL-350

350 - 450

Im wytrzymałość większa tym plastyczność spada

ŻELIWO STOPOWE
Pierwiastki stopowe: Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V…
Żeliwo:
- stopowe, gdy Mn>2%, Si>4%
- niskostopowe, gdy suma pierwiastków stopowych <3%
- wysokostopowe, gdy suma pierwiastków stopowych >3%
Klasyfikacja:
- względem dominującego pierwiastka stopowego: krzemowe, chromowe, miedziowe, aluminiowe, niklowe
- względem warunków eksploatacyjnych: odporne na korozję, żaroodporne, żarowytrzymałe

STALIWO
W Polskich normach ujęto 6 gatunków staliwa:
- staliwo węglowe konstrukcyjne (niestopowe)
- staliwo stopowe konstrukcyjne (niskostopowe)
- staliwo do pracy w podwyższonych temperaturach (niskostopowe)
- staliwo narzędziowe odporne na ścieranie (nisko- i wysokostopowe)
- staliwo odporne na korozję (wysokostopowe)
- staliwo żaroodporne i żarowytrzymałe (wysokostopowe)
Staliwo węglowe konstrukcyjne:
- niskowęglowe <0,25 C
- średniowęglowe 0,25 – o,4 C
- wysokowęglowe 0,4 – 0,6 C
Staliwo L (stopowe)
Minimalna granica plastyczności R

e

(np. 200 MPa)

Minimalna wytrzymałość na rozciąganie (np. 400 MPa)
W przypadku staliwa węglowego – W
Składniki stopowe:
Mn – G; Si – S; Cr – H; Ni – N; W – W; Mo – M; V – F; Co – K; Al – I
Przykład:
Staliwo konstrukcyjne węglowe: 270-500W
Staliwo stopowe: L 35 H G (L-staliwo, 35 – zawartość C – 0,35%, H – chrom, G – mangan)

STALIWO STOPOWE
Zawartość składników stopowych:
Mn >1% Si >0,8% Ni >0,5% Cu>0,5%
Cr>0,25% Mo>0,10% V>0,05% W>0,05%
Gdy suma jest >50% jest to staliwo wysokostopowe
Przykład:
L35G, L40H – średniowęglowe staliwa o podwyższonej zawartości manganu i chromu
Staliwo odporne na ścieranie i narzędziowe:
L45H17N2M – średniowęglowe, chromowo-niklowo-molibdenowe
L120G14SH – wysokowęglowe, manganowo-krzemowo-chromowe (staliwo Hadfielda)
Staliwo:
- odporne na korozję
- żaroodporne (temp. pracy >65°C)
- żarowytrzymałe

STOPY MIEDZI
Z cyną – brąz
Brązy Cu-Sn
Np. B1O (CuSn10)
B101 (CuSn10P)
Brązy bezcynowe: Sn → Al, Pb, Si
Np. BA1032 (CuAl10Fe3Mn2)
BK331 (CuSi3Zn3Mn1)
Brązy wieloskładnikowe
Mosiądze Cu-Zn
Np. MO60 (CuZn38Pb2) M – mosiądz, O – ołowiowy, 60 – zawartość Cu
Mosiądze wieloskładnikowe
Np. CuZn38Al13, CuZn50Mn3Fe

STOPY TYTANU
>100 stopów (15-20 posiada znaczenie przemysłowe)
Najpopularniejszy: TiAl6V4 (>50% całkowitej masy)
Gęstość = 4,43 g/cm

3

(do obróbki plastycznej i na zimno)

STOPY NIKLU
- konstrukcyjne (typu Monel)
- żaroodporne i żarowytrzymałe (nadstopy, superstopy)
- oporowe
- odporne na korozję
Przykład:

Ni-Cu:
Ni-Cu-Sn NiCu30Fe1,5Mn1,5
Ni-Cu-Sn NiCu28Fe3Mn

NiCu30Fe2Mn

Ni-Cr:
Ni-Cr-Fe NiCr15Fe5Mn (Inconel)
Ni-Cr-Mo NiCr15Fe520 (Cronit)

NiCr10 (Nichrom)

Ni-Fe:

Ni-Fe-Co
Ni-Si:

NiSi10
Hastelloy-D

Ni-Ti:
Ni-Ti-Al

NiTi45 (Nitinal)

Ni-Be
Ni-Al

STOPY KOBALTU
- żarowytrzymałe i żaroodporne (nadstopy)
- odporne na ścieranie i twarde (np. Stellity)
- ferromagnetyczne na magnesy trwałe (np. Alnico)
- na implanty (np. Vitolium)

WŁAŚCIWOŚCI ODLEWNICZE TWORZYW
- lejność
- skurcz: powstawanie jamy skurczowej, wielkość jamy skurczowej
- skurcz odlewniczy
- segregacja
- skłonność do naprężeń
- skłonność do pochłaniania zanieczyszczeń
- reaktywność

LEJNOSĆ TWORZYWA
- lepkość
- napięcie powierzchniowe
- zwilżalność podłoża (np. formy)
- kształt i wielkość tworzących się kryształów pierwotnych
- obecność błonek (wydzieleń) np. tlenkowych
- zawartość gazów
- materiał formy (współczynnik akumulacji ciepła, zwilżalność)
- T

lik

, T

sol

SKURCZ TWORZYWA
W stanie ciekłym w zakresie temperatur krzepnięcia
- skład chemiczny tworzywa

WIELKOŚĆ JAMY SKURCZOWEJ
- skład chemiczny tworzywa
- temperatura zalewania
- sposób doprowadzenia ciekłego metalu do formy i szybkość zalewania (rozkład temperatur w formie)
- konstrukcja odlewu

SEGREGACJA
(niejednorodność składu chemicznego tworzywa w odlewie)
1. segregacja bliższego uporządkowania (mikrosegregacja) w granicach mikrostrukturalnych elementów (np. wydzielenia na granicach ziaren)
2. segregacja dalszego uporządkowania (makrosegregacja)
Przyczyny:
- ruch metalu wypełniającego formę
- konwekcja
- ruch rosnących w cieczy kryształów

SKURCZ ODLEWNICZY
(w stanie stałym)
- skład chemiczny tworzywa
- warunki stygnięcia odlewu (skurcz: swobodny, hamowany)
Hamowanie skurczu: mechaniczne, cieplne
Skurcz liniowy:

𝑆 =

𝑙

1

− 𝑙

2

𝑙

1

∙ 100%

FORMY:
1. jednorazowe (z masy formierskiej):
piaskowe:
-zwykłej dokładności: formowanie ręczne, maszynowe
-dokładne: wykonane w rdzeniach, pełne (z wypalonym modelem), formowane próżniowo
półprecyzyjne
-skorupowe
-shawa
precyzyjne
2. półtrwałe:
3. trwałe:
kokilowe (wypełnione grawitacyjnie)

wykonane pod ciśnieniem
-ciśnieniowe
-niskociśnieniowe
-z prasowaniem ciekłego metalu
(kilka, kilkadziesiąt tysięcy wypełnień; udar cieplny i potworny udar mechaniczny)
4. wirujące:
odśrodkowe
półodśrodkowe
pod ciśnieniem odśrodkowym
5. odlewanie ciągłe i półciągłe

MASY FORMIERSKIE (podział ze względu na)
1. dobór składników masy:
masy naturalne
masy półsyntetyczne
masy syntetyczne
2. rodzaj tworzywa wlewowego do formy:
masy na odlewy żeliwne
masy na odlewy staliwne
masy na odlewy ze stopów metalu nieżelaznych
masy na odlewy ze staliwa
3. stosowanie przy formowaniu:
masy na formy (formierskie)
- masy przymodelowe
- masy wypełniające
- masy jednolite
masy na rdzenie (rdzeniowe)
masy specjalne
4. konsystencję masy:
masy sypkie
masy ciekłe
5. stan form przed zalewaniem:
masy na formy wilgotne
masy na formy suszone lub wypalane
masy na formy podsuszane powierzchniowo
masy na formy utwardzane chemicznie

MATERIAŁY DO WYTWARZANIA FORM I RDZENI
Jednorazowych:
- piaski (kwarcowe i inne)
- spoiwa (pochodzenie, charakter, sposób wiązania)
- dodatki
- pokrycia
- oddzielacze
Trwałych:
- stopy żelaza: żaroodporne i żarowytrzymałe do pracy na gorąco, stal, żeliwo
- stopy metali nieżelaznych
- tworzywa niemetalowe (np. ceramika)

FORMY Z MAS ZE SPOIWAMI STAŁYMI:
- formy z mas ze spoiwami nieorganicznymi
- formy z mas klasycznych
- formy z mas cementowych
- formy z mas gipsowych
- formy z mas ze spoiwem organicznym
- formy z mas ze spoiwami żywicznymi
- formy z mas ze spoiwami pochodzenia roślinnego
FORMY Z MAS ZE SPOIWAMI CIEKŁYMI:
- formy z mas ze spoiwami nieorganicznymi
- formy z mas ze szkłem wodnym
- formy z mas z krzemianem etylu
- formy z mas ze spoiwami organicznymi
- formy z mas ze spoiwami olejowymi
- formy z mas ze spoiwami żywicznymi
- formy z mas ze spoiwami smołowymi
- formy z mas ze spoiwami będącymi ubocznymi produktami przemysłu chemicznego

PIASKI FORMIERSKIE (PRZYKAŁDY)
Kwarcowy

SiO

2

Cyrkonitowy

ZrO

2

·SiO

2

T

top

~2000°C

Mulitowy

3Al

2

O

3

·2SiO

2

T

top

>1800°C

Sylimanitowy

Al

2

O

3

·SiO

3

T

top

>1700°C

Chromitowy

FeO·Cr

2

O

3

T

top

~1700°C

Oliwinowy

(MgFe)

2

·SiO

4

T

top

>1500°C

Korund

Al

2

O

3

T

top

=1850-2030°C

Karborund

SiC

T

top

~2000°C

Magnezyt

MgO

T

top

>1900°C

PIASKI KWARCOWE

Gatunek piasku

Zawartość składników [%]

Temp.

spiekania [°C]

Wskaźnik

jednorodności min [%]

Lepiszcze [%] max

SiO

2

min

Fe

2

O

3

max

W* max

1K
2K
3K
4K
5K
6K

0,2
0,5
1,0
2,0

2-15

15-35

98
96
96

-
-
-

0,5
1,0
1,0
1,5

-
-

0,3
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0

1400
1400
1350
1350

-
-

80
75
70
65
60
50

W* - węglany
Piasek kwarcowy o małej zawartości lepiszcza (1K-4K) jest sypką skałą osadową. W wyniku ogrzewania piasku zachodzą w nim przemiany polimorficzne. Od temperatury
otoczeniu do temperatury 573°C występuje odmiana krystaliczna β-kwarc, następnie wraz ze wzrostem temperatury zachodzą trzy kolejne przemiany polimorficzne. W
temperaturze 1713ᵒC następuje topienie czystego kwarcu. Lity kwarc jest materiałem kruchym (o twardości w skali Mohsa = 7) odporny na działanie czynników chemicznych
(z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego) o gęstości 2,65g/cm3. Ziarna kwarcu zawierają do 1,5% Fe2O3 i do 1,0% węglanów (CaCO3, Na2CO3). Piasek kwarcowy powinien
zawierać min 96% SiO2, temperatura jego spiekania zaś powinna wynosić min 1350- 1400ᵒC. Temperatura spiekanie określa ogniotrwałość piasku i jest to najniższa
temperatura, w której następuje nadtopienie zewnętrznej warstewki masy.
Ze względu na zawartość lepiszcza wyodrębniono następujące klasy piasków kwarcowych:
-

Piasek 1K o maksymalnej zawartości lepiszcza 0,2%

-

Piasek 2K o maksymalnej zawartości lepiszcza 0,5%

- Piasek 3K o maksymalnej zawartości lepiszcza 1,0%
-

Piasek 4K o maksymalnej zawartości lepiszcza 2%

-

Piasek chudy C o zawartości lepiszcza 2±8%

-

Piasek półtłusty P o zawartości lepiszcza 8±15%

-

Piasek tłusty T o zawartości lepiszcza 15±20%

- Piasek bardzo tłusty BT o zawartości lepiszcza 25±35%

PIASEK CYRKONOWY
Piasek cyrkonowy (ZrSiO

4

) zawiera teoretycznie ok 33% SiO

2

i ok 67% ZrO

2

. Gęstość piasku wynosi 4,5-4,7 g/cm

3

, a jego twardość w skali Mohsa ~7,5. Jest to piasek bezbarwny,

zawierający zwykle domieszki Al2O3 i Fe2O3 o temp topienia 2200±2400ᵒC W Polsce występuje w małych ilościach. Piasek cyrkonowy jest niezwilżany przez ciekły stop
odlewniczy, dlatego nie występuje penetracja ciekłego stopu w pory masy. Kształt ziaren jest zaokrąglony, a ich powierzchnia gładka. Średnia wielkość ziarna wynosi 0,05±0,15
mm. Piasek cyrkonowy jest drogi, dlatego jest używany tylko do wytwarzania form i rdzeni skomplikowanych odlewów staliwnych, szczególnie o dużej masie (do 200t).
Mączkę cyrkonową stosuje się w metodzie wytapianych modeli oraz jako osnowę powłok ochronnych na powierzchni form i rdzeni.

PIASEK OLIWINOWY
Piasek oliwinowy jest otrzymywany w wyniku rozdrobnienia skało o nazwie oliwin. Skład chemiczny piasku jest następujący MgO= 40±45%. SiO2=40±45%, Fe2O3= do 10%.
Twardość piasku w skali Mohsa=7, gęstość zaś 3,2±3,6 g/cm3. Kształt ziaren jest nieregularny. Piasek oliwinowy jest silnie zasadowy i reaguje z kwaśnymi utwardzaczami
żywicy furfurylowej, dlatego w pewnych procesach nie można go stosować. Nie reaguje z tlenkami manganu, dlatego jest używany do wykonywania mas przeznaczonych do
wytwarzania odlewów z austenitycznego staliwa manganowego Hadfielda.

PIASEK MAGNEZYTOWY
Piasek magnezytowy jest otrzymywany przez spieczenie w temperaturze powyżej 1450°C węglanu magnezu MgCO

3

, a następnie jego zmielenie. Podstawowym składnikiem

piasku jest tlenek magnezu MgO. Piasek ma dużą odporność na działanie tlenków i żużli zasadowych i dlatego może być stosowany do sporządzania masy do wykonywania
ciężkich odlewów z austenitycznego staliwa Hadfielda. Wadą piasku magnezytowego jest duży współczynnik rozszerzalności cieplnej

PIASKI GLINOKRZEMIANOWE: SYLIMANIT I MULIT
Sylimanit jest otrzymywany ze skał glinokrzemianowych. Zawiera ok 60% Al

2

O

3

i ok 40% SiO

2

. Jest materiałem ogniotrwałym, chemiczne obojętnym, o temperaturze topnienia

ok 1800°C.
Mulit stosowany w przemyśle to mulit syntetyczny, wytwarzany z glin ogniotrwałych metodą prażenia. Orientacyjny skład mulitu Al

2

O

3

+ TiO

2

(ok 7%) oraz SiO

2

(ok 25%).

Obydwa piaski są używane do wytwarzania mas w technologii wytapianych modeli, dla odlewów na ogół staliwnych.

MATERIAŁY WIĄŻĄCE
Do najważniejszych materiałów wiążących nieorganicznych zalicza się substancje typu lepiszcza, jak glina kaolinitowa, glina montmorylonitowa (bentonit), cement i gips oraz
spoiwa: szkło wodne sodowe, krzemian etylu. Materiały te mają charakter hydrofilny (wiążą w obecności wody)

GLINY FORMIERSKIE
Gliny formierskie są to zmielone materiały naturalne (kopaliny( nieorganiczne zawierające powyżej 50% lepiszcza. Dzięki zawartości lepiszcza gliny wykazują własności
wiążące. O zdolności gliny do wiązania decydują minerały ilaste powstałe z wietrzenia glinokrzemianów. Znaczenie praktyczne mają następujące gliny formierskie:
- Gliny kaolinitowe stosowane jako składniki mas na formy i rdzenie suszone
- Gliny montmorylonitowi (bentonity) stosowane jako składniki mas na formy zalewane w stanie wilgotnym

SPOIWA NIEORGANICZNE:
KRZEMIAN SODU (SZKŁO WODNE SODOWE)
Szkło wodne sodowe jest bezbarwną, gęstą cieczą o odczynie zasadowym – roztworem wodnym krzemianu sodu. Szkło to otrzymuje się przez stopienie krzemionki z
surowców łatwo dostępnych, tanich i nieszkodliwych dla otoczenia.
O jakości szkła wodnego decyduje tzw. moduł szkła wodnego. Dla szkła wodnego sodowego moduł szkła M, oblicza się ze wzoru:

𝑀

𝑠

=

𝑆𝑖𝑂

2

𝑁𝑎

2

𝑂

∙ 1,0323

SiO

2

– zawartość w %

KRZEMIAN ETYLU
Krzemian etylu otrzymuje się przez działanie alkoholem etylowym na czterochlorek krzemu wg reakcji
SiCl

4

+4C

2

H

5

OH→(C

2

H

5

O)4Si + 4HCL

Gdzie SiCl4 – czterochlorek krzemu, 4C

2

H

5

OH – alkohol etylowy, →(C

2

H

5

O)4Si – krzemian etylu – spolimeryzowane związki SiO

2

.

Reakcja ta zachodzi z wydzielenie dużej ilości ciepła. W jej wyniku otrzymuje się spolimeryzowane związki SiO

2

. Przeważają związki o zawartości ok. 40% SiO

2

. Taki materiał

stosuje się w odlewnictwie – nosi on nazwę krzemianu etylu 40.

Sporządzanie mas:
- sypkich
- ciekłych

Zróżnicowane konstrukcje mieszarek np.
- do pracy okresowej lub ciągłej
- do mas sypkich, ciekłych

- stopień zautomatyzowania
- wydajność

Masy sypkie. Generalna zasada:
- mieszanie składników sypkich (suchych)
- dodawanie wody (cieczy)

Kontrola:
- składników
- ich dozowania
- gotowych mas

Materiały na elementy płyt modelowych

Element płyty modelowej

Rodzaj materiału

Płyta podmodelowa

Żeliwo Z1200 i Z1250

Żeliwo sferoidalne perlityczne

Listwy przeciwzużyciowe płyt

Stal powierzchniowo utwardzona

Model odlewu do produkcji

Jednostkowej

Drewno

Gips

Żywica epoksydowa lana

Laminaty żywiczno-szklane

Małoseryjnej

Żywica epoksydowa lana

Laminaty żywiczno-szklane

Stopy AlSiCu (AlSi

6

Cu

3

)

Stopy AlCu (7-12 % Cu)

Wielkoseryjnej lub masowej

Żywica poliuretanowa

Żeliwo Z1200 i Z1250

Żeliwo sferoidalne perlityczne

Brązy (B103, B663, BA1032)

Mosiądze (MO59)

Model układu wlewowego i odpowietrzeń

Żeliwo Z1200 i Z1250

Stal węglowa

Brązy, mosiądze, stopy Al.

Elementy ustalająco-mocujące

Stal węglowa

MASY FORMIERSKIE I RDZENIOWE (co jest przedmiotem badań)
- wilgotność
- przepuszczalność
- płynność
- zdolność do odwzorowania
- podatność
- przylepność
- gazotwórczość
- wytrzymałość (temp. pokojowa i wysoka)
- odporność na ścieranie
- odporność na wstrząsy
- odporność na przypalenia
- ogniotrwałość
- wybijalność
- własności termofizyczne
- trwałość i żywotność
- szkodliwość dla zdrowia

PŁYNNOŚĆ: metoda Orłowa, metoda zrzutowa
OGNIOTRWAŁOŚĆ: stożek pirometryczny
WILGOTNOŚĆ: aparat Speedy
ŻYWOTNOŚĆ: R

c

– wytrzymałość na ściskanie, R

c

w

– w stanie wilgotnym zaraz po przygotowaniu

Moment wykonania masy i

wykonania próbek

Pomiar wytrzymałości na ściskanie R

c

R

c

w

R

c

0,5h

R

c

1h

R

c

2h

R

c

3h

R

c

24h

Czas wykonania

następnej próbki

0,5h

0,75h

1,0h
1,5h

2h
3h

R

c

0,5/0h

R

c

0,75/0h

R

c

1,0/0h

R

c

1,5/0h

R

c

2/0h

R

c

3/0h

R

c

0,5/0,5h

R

c

0,75/0,5h

R

c

1,0/0,5h

R

c

1,5/0,5h

R

c

2/0,5h

R

c

3/0,5h

R

c

0,5/1h

R

c

0,75/1h

R

c

1,0/1h

R

c

1,5/1h

R

c

2/1h

R

c

3/1h

R

c

0,5/2h

R

c

0,75/2h

R

c

1,0/2h

R

c

1,5/2h

R

c

2/2h

R

c

3/2h

R

c

0,5/3h

R

c

0,75/3h

R

c

1,0/3h

R

c

1,5/3h

R

c

2/3h

R

c

3/3h

R

c

0,5/24h

R

c

0,75/24h

R

c

1,0/24h

R

c

1,5/24h

R

c

2/24h

R

c

3/24h

MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE
- krzemionkowe (SiO

2

)

- magnezytowe (MgO)
- chromitowe (Cr

2

O

3

)

- korundowe (Al

2

O

3

)>90%

- karborundowe (SiC)>85%
- cyrkonowe (ZrO

2

)>85%

opracowanie

(skład, przygotowanie,

właściwości)

próby

weryfikacyjne

produkcja

korekta

korekta

kontrola

- węglowe
- grafitowe
- glinokrzemianowe (SiO

2

+ Al

2

O

3

)

- magnezytowo-wapniowe (MgO + CaO)
- magnezytowo-krzemianowe (MgO + SiO

2

)

- spinelowe (MgO + Cr

2

O

3

)

- szamotowe (glina + Al

2

O

3

+ 5% C____)

- magnezytowo-forsterytowe (MgO + SiO

2

+ Cr

2

O

3

)

Charakter materiałów ogniotrwałych:
- kwaśne: krzemionkowe, glinokrzemianowe
- zasadowe: magnezytowe, magnezytowo-wapniowe
- obojętne: węglowe, chromitowe, chromitowo-magnezytowe

Postać:
- kształtki
- luźna (sypka)
- włóknista
- masa termoplastyczna

Procesy topienia
- metalowe materiały wsadowe
- niemetalowe materiały wsadowe
- energia
- piece
- materiały ogniotrwałe
- oprzyrządowanie

Układy metalurgiczne:
Fazy stałe: materiały wsadowe (nieroztopione), materiały ogniotrwałe, wtrącenia (stałe)
Fazy ciekłe: ciekły metal, ciekły żużel
Fazy gazowe: atmosfera, pęcherze gazowe

Zabiegi metalurgiczne:
- ładowanie wsadu,
- roztapianie wsadu,
- przegrzewanie kąpieli metalowej,
- zabiegi rafinacyjne,
- kontrola składu metalu,
- korekta składu
- zabiegi modyfikacyjne,
- obróbka pozapiecowa,
- transport,
- odlewanie do form.

KONTROLA PRZEBIEGU PROCESU TOPNIENIA:
1. Kontrola stanu urządzeń topialnych:
Instalacji i układów mechanicznych, instalacji elektrycznej, hydraulicznej, pneumatycznej, wymurówki (tygli)
2. Kontrola materiałów wsadowych:
Stan fizyko-chemiczny (skład chemiczny, postać, kawałkowatość, zanieczyszczenia…), namiary składników wsadu, procedury
3. Kontrola przebiegu:
Kontrola temperatury, atmosfery, próby kontrolne (np. składu chemicznego), korekta składu chemicznego
4. Kontrola stopionego metalu:
Analiza składu chemicznego, próby technologiczne, odlewanie próbek (atesty)

MATERIAŁY EKSPLOATACYJNE
- oleje
- smary
- oddzielacze (zasypki)
- płyny technologiczne (chłodzenie, mycie, przeciwutleniacze itp.)
- materiały termoizolacyjne
- tzw. normalia (śruby, podkładki, uszczelki itp.)

STANDARDOWE NARZĘDZIA I PRZYRZĄDY
- modele i rdzennice
- kokile i formy ciśnieniowe
- skrzynki formierskie
- kadzie i łyżki odlewnicze
- podstawki podrdzeniowe
- narzędzia formierskie
- termopary i pirometry
- oprzyrządowanie do odlewania próbek
- sprawdziany i wzorce

MATERIAŁY DO WYKAŃCZANIA ODLEWÓW I ICH NAPRAWY
- śrut (luźny)
- materiały ścierne (kształtowe)
- materiały do trawienia
- materiały do pasywacji
- materiały na powłoki galwaniczne
- środki do metalizacji
- elektrody i luty
- gazy techniczne (acetylen, tlen…)

- szczeliwa
- kity i kleje
- smoła
- emalia
- farby i lakiery

PROCESY TECHNOLOGICZNE:
ODLEWANIE KOKILOWE
Cel: seryjne wytwarzanie odlewów o podwyższonych właściwościach względem odlewów z form piaskowych
Istota procesu: grawitacyjne odlewanie tworzyw odlewniczych (najczęściej stopów metali nieżelaznych Al i Cu) do form metalowych
Stosowanie: do seryjnej i masowej produkcji odlewów małej i średniej wielkości (do kilkuset kg)
Uzyskanie dobrej jakości odlewu kokilowego uwarunkowane jest:
- zapewnieniem właściwego wypełnienia wnęki kokili ciekłym tworzywem odlewniczym
- odpowiednim zasilaniem stygnącego (w stanie ciekłym) i krzepnącego odlewu
- stabilizacją właściwej temperatury roboczej kokili w cyklu odlewania
- utrzymaniem właściwej i stabilnej temperatury odlewanego tworzywa
- prawidłowym doborem pokrycia ochronnego na wnękę roboczą kokili (rodzaj i grubość warstwy)
Zalety:
- korzystniejsze właściwości mechaniczne tworzywa odlewu
- podwyższona dokładność wymiarowa odlewu
- mniejsza chropowatość powierzchni odlewu
- korzystniejszy uzysk odlewanego tworzywa
- skrócenia czasu obróbki cieplnej odlewów (możliwość przesycenia)
- poprawa warunków pracy w odlewni (eliminacja masy formierskiej)
- wzrost wskaźników wydajności produkcji w odlewni
- ograniczenie transportu wewnętrznego w odlewni
- łatwość mechanizacji i automatyzacji procesu odlewania
Wady:
- trudność uzyskania cienkościennych odlewów
- znaczne naprężenia własne odlewów
- niejednorodne właściwości mechaniczne tworzywa odlewu
- kosztowna forma (kokila)

ODLEWANIE CIŚNIENIOWE
Cel: uzyskiwanie cienkościennych odlewów o skomplikowanych kształtach, dużej szczelności, dokładności wymiarowej i bardzo dobrych właściwościach mechanicznych
Istota procesu: wypełnianie form z wykorzystaniem wysokiego ciśnienia (do 100 MPa) utrzymywanego w układzie( metal- forma) do momentu całkowitego zakrzepnięcia
odlewu
Stosowanie: do wielkoseryjnej i masowej produkcji o małej i średniej wielkości (do kilkudziesięciu kg) ze stopów metali nieżelaznych (Zn, Mg, Al)
Zalety:
- duża dokładność wymiarów i kształtów odlewów
- bardzo małe naddatki na obróbkę (0,3-0,5mm)
- mała chropowatość powierzchni odlewów
- drobnoziarnista struktura odlewów
- dobre właściwości mechaniczne odlewów
- duża wydajność procesu
Wady:
- skłonność do porowatości osiowej odlewów
- ograniczona możliwość zasilania odlewów
- częsty brak szczelności odlewów
- skłonność do powstawania wad szczególnie na dużych powierzchniach (fałdy, nalot kwiecisty)

Odlewanie odśrodkowe właściwe
- oś odlewu pokrywa się z osią wirowania
-odlew ma kształt bryły obrotowej ograniczonej:
*z zewnątrz- ścianką formy
*wewnątrz- powierzchnią swobodną
Odlewanie półodśrodkowe
- oś odlewu pokrywa się z osią wirowania
- powierzchnię wewnętrzną odwzorowuje rdzeń
Odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym
- wlew metalu- w pionowej osi wirowania
- ciśnienie od siły odśrodkowej powoduje wypełnienie ciekłym metalem wnęki formy rozmieszczone wokół wlewu
Zalety:
- zdecydowane ograniczenie porowatości (szczelność)
- korzystniejsze właściwości mechaniczne odlewów ( o 20÷60%)
- zmniejszenie masy złomu obiegowego (o 40÷90%)
- wyeliminowanie rdzeni (lub ograniczenie)
- możliwość wytwarzania długich odlewów
- możliwość odlewania elementów bimetalowych
- możliwość sterowania strukturą odlewów
Wady i ograniczenia:
- konieczność specjalnego wyposażenia (urządzenia)
-ograniczenia wymiarów i masy odlewów ( l<12m, d< 2000m, m<45t)
- konieczność dokładnego dozowania metalu
- niebezpieczeństwo segregacji składników stopowych

ODLEWANIE W FORMACH GIPSOWYCH
Cel: uzyskiwanie dokładnych i precyzyjnych odlewów
Istota procesu: użycie specjalnej ciekłej masy formierskiej na osnowie gipsu
Stosowanie: do jednostkowej, seryjnej i masowej produkcji odlewów ze stopów metali nieżelaznych (max temp odlewania- 1200oC). Zróżnicowane sposoby wytwarzania form
( z modeli trwałych jak i jednorazowych)
Cechy mas:
- dobre odwzorowanie kształtów modeli (ciekła masa, wibracja)

- ograniczona odporność na temp ( do 1200oc)
- ograniczona przepuszczalność
- konieczność suszenia (wypalania)
Cechy odlewów:
- tworzywa: Pb, Sn, Zn, Al, Mg, Cu
- dobra jakość powierzchni
- małe naddatki na obróbkę ( do 0,8mm)
- małe odchyłki wymiarowe (do 0,1-0,3mm)
- minimalna grubość ścianki 1-1,5mm
- zadawalające właściwości mechaniczne (porowatość)
- masa odlewów do 10kg (50-100kg)
Produkcja:
- jednostkowa (kokile, matryce, pływy modułowe, elementy oprzyrządowania i modelowania
- małoseryjna (odlewy do przemysłu lotniczego)

ODLEWANIE SKORUPOWE
Cel: uzyskiwanie odlewów o zdecydowanie podwyższonej dokładności wymiarowej, małej chropowatości powierzchni w grawitacyjnie zalewanych i cienkościennych formach
ceramicznych
Istota procesu: jest użycie specjalnych mas z żywicznym i termoplastycznym spoiwem (lub tzw. piasku powlekanego) oraz odpowiednego, metalowego oprzyrządowanie (płyty
modelowe, rdzennice), zapewniającego ukształtowanie skorup połówek formy lub rdzeni
Stosowanie: do seryjnej i masowej produkcji drobnych ( do kilku kg) odlewów ze stopu żelaza (żeliwo) i metali nieżelaznych oraz do wytwarzania rdzenie odlewniczych w
odlewniach żelaza i stopów metali nieżelaznych

ODLEWANIE METODĄ WYTAPIANYCH MODELI
Cel: uzyskiwanie precyzyjnych odlewów z form ceramicznych nie wymagających wyjmowania modelu po ukształtowania ich wnęk
Istota procesu: model (z układem wlewowym) wykonany z łatwo topliwego materiału służy do wykonania formy ceramicznej. Po zaformowaniu, model (zestaw modeli)
zostaje wytopiony z forma po jej wypaleniu grawitacyjnie wypełniona tworzywem odlewniczym
Stosowanie: do seryjnej i masowej produkcji drobnych (do kilku kg) odlewów precyzyjnych ze zróżnicowanych metali i stopów

ODLEWANIE W FORMACH WIRUJĄCYCH
Cel: uzyskiwanie odlewów o zwartej strukturze w warunkach podwyższonego ciśnienia metalostatycznego wynikającego z wirowania formy w trakcie jej wypełniania metalem
do czasu całkowitego jej zakrzepnięcia
Istota: wykorzystanie siły odśrodkowej jako czynnika kształtującego swobodną powierzchnię odlewów osiowo symetrycznych (np. tulei) lub intensyfikującego proces
wypełniania formy odlewniczej
Stosowanie: do seryjnej i masowej produkcji osiowo symetrycznych odlewów ze stopów żelaza i metali nieżelaznych (tuleje, rury, koło, itp.) w formach jednownękowych lub
innych odlewów o zróżnicowanych kształtach (np. odlewy jubilerskie) w wielownękowych formach z centrycznie usytuowanym wspólnym wlewem głównym

PROCES „PEŁNEJ FORMY” (odlewanie z użyciem wypalanych modeli)
Cel: uzyskiwanie odlewów z form ceramicznych bez konieczności wyjmowania modelu z wykonanej formy
Istota procesu: model (z układem wlewowym) jednorazowego użycia wykonany z łatwopalnego materiału (np. styropian) pozostaje w formie po ukształtowaniu jej wnęki a
następnie ulega zgazowaniu (wypaleniu) przez strugę metalu odlewanego grawitacyjnie
Stosowanie: do produkcji jednostkowych dużych odlewów (np. prototypowych) jak również odlewów drobnych produkowanych seryjnie ze stopów głównie żelaza (żeliwo)

ODLEWANIE PÓŁCIĄGLE I CIĄGLE
Cel: uzyskiwanie odlewów, których jeden z wymiarów (długość) stanowi zdecydowaną wielokrotność pozostałych wymiarów.
Istota: odlewania polega na użyciu intensywnie chłodzonej, przelotowej formy- krystalizatora, zapewniającej szybkie stygnięcie i krzepnięcie wlanego metalu.
Stosowanie: do uzyskiwania długich i bardzo długich odlewów o nieskomplikowanym kształcie przekroju poprzecznego (pręty, rury, kształtowniki, wlewki itp.) ze stopów
żelaza (stal, żeliwo) oraz stopów metali nieżelaznych.
Odlewanie ciągłe - zalety:
- możliwość odlewania elementów l=10m, pi=100mm
- b dobre właściwości mechaniczne tworzywa (brak porowatości)
- duża wydajność procesu
wady:
- kosztowne linie do odlewania
- duże skłonności do naprężeń i mikropęknięć (szybkie chłodzenie)