TECHNOLOGIA METALI

( dr inż. Robert Skoblik )

WykładyMETALURGIA METALI

Metalurgią nazywa się szereg powiązanych ze sobą procesów technologicznych mających na celu otrzymanie technicznie czystego produktu z surowców, którymi najczęściej są rudy wytapianych metali.

Główne działy metalurgii to:

- metalurgia żelaza,

- metalurgia metali nieżelaznych

Podstawowe procesy metalurgiczne to:

•wstępna przeróbka rudy

•wzbogacanie rudy

•proces hutniczy

•rafinacja

Materiałami wyjściowymi przy produkcji stopów żelaza i stopów metali nieżelaznych są ruda, koks lub inne nośniki ciepła, topniki oraz materiały ogniotrwałe.

Procesy metalurgiczne można podzielić na:

1. procesy pirometalurgiczne (ogniowe), prowadzone w wysokich temperaturach, mające za zadanie otrzymanie metalu i w następnych zabiegach jego ewentualną rafinację,

2. procesy elektrometalurgiczne polegające na topieniu i rafinacji wsadu metalowego w piecach elektrycznych

łukowych, oporowych i indukcyjnych oraz procesach elektrolizy roztopionych soli lub wodnych roztworów,

3. procesy hydrometalurgiczne w których otrzymuje się metale z wodnych roztworów ich soli, przez rozpuszczanie metali zawartych w rudzie za pomocą kwasów lub zasad.

4. metalurgię próżniową

MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE

W większości przemysłowych sposobów otrzymywania metali i stopów mamy do czynienia z procesami topienia przy wysokich temperaturach, dlatego też wewnętrzne wykładziny pieców i innych urządzeń metalurgicznych wykonuje się z materiałów ogniotrwałych. Muszą być one zdolne do przenoszenia obciążeń przy wysokich temperaturach, wytrzymania gwałtownych zmian temperatury i chemicznego oddziaływania żużla i gazów piecowych.

W zależności od zachowania się względem żużli, dzielimy materiały ogniotrwałe na:

1. kwaśne - odporne na działanie żużli kwaśnych -

podstawowym składnikiem jest SiO₂ lub Al₂O₃ ( materiały krzemionkowe, kwarcowo - szamotowe, szamotowe),

2. zasadowe - odporne na działanie żużli zasadowych - podstawowym składnikiem jest CaO lub MgO (magnezytowe, dolomitowe, dolomitowo - magnezytowe i chromitowo - magnezytowe),

3. neutralne lub amfoteryczne (obojętne) - słabo reagujące z żużlami zarówno zasadowymi jak i kwaśnymi lub też wykazujące pełną odporność na ich działanie - podstawowymi składnikami są: Cr₂O₃, Zr₂O₃, SiC lub C (chromitowe, cyrkonowe, karborundowe i węglowe).

PALIWA STOSOWANE W METALURGII

Stan skupienia lub rodzaj paliwa	Paliwa naturalne	Paliwa sztuczne
Stały	Drewno Torf Węgiel brunatny Węgiel kamienny	Węgiel drzewny Koks Półkoks Pył węglowy
Ciekły	Ropa naftowa	Destylaty ropy naftowej Destylaty smoły pogazowej Benzyna syntetyczna
Gazowe	Gaz ziemny	Gaz świetlny Gaz koksowniczy gaz czadnicowy Gaz generatorowy Gaz wielkopiecowy
Energia elektryczna
Paliwo jądrowe

KOKSOWNIA

Przekrój pieca typu Koppersa: 1 - główny przewód gazu koksowniczego, 2 - główny przewód gazu wielkopiecowego, 3 - regenerator, 4 zbiorcze kanały spalinowe, 5 - kanały komór grzewczych [9]

Koksownia

Przekrój przez komorę koksowniczą [5]

METALURGIA STOPÓW ŻELAZA

Stopy żelaza :

Surówka jest to stop żelaza z węglem (ponad 2%C - najczęściej 2,5 - 4,5%) oraz innymi pierwiastkami (Si, Mn, P, S)otrzymywany w wyniku redukcji rudy żelaza (w wielkim piecu, piecu niskoszybowym) przeznaczony do dalszej przeróbki na inne stopy żelaza.

Stal - techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C (max. 2,06%) oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców, materiałów ogniotrwałych, paliw, atmosfery albo dodawane celowo (dodatki stopowe stali) otrzymywany w stanie ciekłym w procesach stalowniczych i po zakrzepnięciu przerabiane plastycznie.

Staliwo - techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców, materiałów ogniotrwałych, paliw, atmosfery albo dodawane celowo (dodatki stopowe stali) otrzymywany w stanie ciekłym w procesach stalowniczych i odlany do form odlewniczych, nie przerobiony plastycznie.

Żeliwo - stop żelaza z węglem i z innymi pierwiastkami jak Mn, Si, P, S o zawartości węgla ponad 2% (praktycznie 2,65 do 3,8%), stosowany w postaci odlewów.

Rudy żelaza

• magnetyt (żelaziak magnetyczny) - tlenek żelazowo - żelazawy (Fe₃O₄), zawierająca ok. 72% Fe, ma własności magnetyczne, zwartą budowę i ze względu na skład chemiczny skały płonnej jest trudno topliwy, zawiera domieszki siarki i fosforu. Występuje w Szwecji, Norwegii, Rosji.

• hematyt (żelaziak czerwony) - tlenek żelazowy (Fe₂O₃), zawiera zwykle 50 - 60% żelaza. Skałę płonną stanowi najczęściej krzemionka i glina a niekiedy również wapń. Jest rudą łatwo topliwą o charakterze zasadowym i nie stanowi w kopalinie zwartej i twardej masy. Największe złoża hematytów znajdują się na terenach Ukrainy, USA, Hiszpanii i we Włoszech, niewielkie również w Polsce na Dolnym Śląsku.

• limonit (żelaziak brunatny) - uwodniony tlenek żelazowy (2Fe₂O₃3H₂O), zawiera przeciętnie 30 - 53% żelaza. Jest najbardziej rozpowszechnioną rudą w przyrodzie. Jest rudą łatwo topliwą. Skałę płonną stanową najczęściej krzemionka i glina a czasem tlenki wapnia i tlenki magnezu. Jako zanieczyszczenie występuje w skale płonnej siarka i fosfor.

• syderyt (żelaziak szpatowy) - węglan żelazawy (FeCO₃) zawierający przeciętnie 30 - 40% żelaza. Rudy te są bardzo łatwo topliwe lub samo topliwe, zanieczyszczone krzemionką, tlenkiem wapnia i tlenkiem magnezu.

Przygotowanie rud

• Operacje przygotowania rud dzielimy na dwie grupy:

1. Operacje przygotowania rud oparte na własnościach fizycznych

materiałów:

• rozdrabnianie i klasyfikacja

• operacje wzbogacania rud: przebieranie ręczne, wzbogacanie grawitacyjne, magnetyczne i elektrostatyczne, flotacja,

• operacje wykańczające i pomocnicze: oddzielanie koncentratów od wody (zagęszczanie, filtrowanie, suszenie), zbrylanie przez brykietowanie i grudkowanie

2. Operacje przygotowania rud mające charakter przeróbki chemicznej:

• zbrylanie materiałów przez spiekanie,

• wzbogacanie ogniowe rud węglanowych,

• prażenie utleniające rud i koncentratów siarczkowych, prażenie utleniające ze spiekaniem.

Rozdrabnianie rud

Zakresy rozdrabniania i stosowane urządzenia

Rozdrabnianie	Przybliżona wielkość otrzymywanego ziarna mm	Urządzenia rozdrabniające
Grube (wstępne)	100	Kruszarka szczękowa, stożkowa, młotowa, udarowa
Średnie	30	Kruszarka płaskostożkowa, udarowa, młotowa, walcowa
Drobne	5	Kruszarka walcowa, dezyntegrator
Mielenie	0,5	Młyny kulowe i prętowe

Kruszarki szczękowe

Kruszarka szczękowa normalna: 1 - wał mimośrodowy, 2-oparcie wału, 3 -płyta rozporowa, 4-gniazdo, 5 - szczęka ruchoma, 6 - oś szczęki ruchomej, 7 - płyta wymienna, 8 - rama kruszarki, 9 - szczęka nieruchoma, 10 - sprężyna, 11 - śruba nastawcza klinów, 12 - kliny [1]

Kruszarka szczękowa jednodźwigniowa [1]

Kruszarka stożkowa

Kruszarka stożkowa do rozdrabniania wstępnego: 1 - stożek, 2 - pierścień kruszący, 3- płaszcz

zewnętrzny,4 - wrzeciono, 5 - łożysko, 6 - ramiona nośne dla łożyska i wału, 7 i 8 - koła zębate, 9 - wał

napędowy, 10 - nakrętka do podnoszenia i opuszczania wrzeciona i stożka [1]

Kruszarka młotowa

Kruszarka młotowa: 1 - kadłub kruszarki, 2 - tarcza obrotowa, 3 - wał, 4 - młotki, 5 - lej załadunkowy, 6 - ruszt [1]

Kruszarka młotowa dwuwirnikowa [1]

Kruszarka udarowa

Kruszarka udarowa: 1 - wirnik stalowy, 2 - listwy z twardej stali, 3 -płyty robocze, 4 - zsuwnia rusztowa, 5 - wylot [1]

Młyny

Młyn kulowy bębnowy: 1 - bęben, 2 - wyłożenie bębna płytami ze stali odpornej na ścieranie, 3 - koło zębate, 4 - komora wyładowcza, 5 - ślimak zasilacza [1]

Młyn kulowy stożkowy [1]

Młyn prętowy: 1 - zasilacz ślimakowy, 2 - koło zębate, 3 - bęben, 4 - wyłożenie bębna, 5 - wyłożenie ścian czołowych, 6 - pręty [1]

Przesiewacze

Schemat przesiewacza bębnowego [1]

Schemat przesiewacza wibracyjnego mimośrodowego: 1 - ruchoma rama sita, 2 - sito, 3 wał mimośrodowy, 4 - stojak, 5 - rama nieruchoma, 6 amortyzatory [1]

Seperator magnetyczny

Spiekanie rud

Spiekanie rud: 1 - taśma typu Dwight - Lloyda (wózki), 2 - bębny, 3 - komory ssące, 4 - dozowniki mieszanki, 5 - piec do zapalania wsadu, 6 - łamacz spieku [2]

WIELKI PIEC

PROFIL WIELKIEGO PIECA

PROCES WIELKOPIECOWY

• Grupy procesów zachodzących w wielkim piecu:

• 1. Procesy wstępne: odparowanie wilgoci, wydzielanie wody krystalizacyjnej, rozkład węglanów, usuwanie części lotnych z koksu

• 2.Redukcja tlenków żelaza.

• 3. Nawęglanie żelaza.

• 4.Tworzenie się i topnienie żużla.

• 5. Redukcja pozostałych składników surówki,

• 6. Odsiarczanie.

• 7. Procesy spalania paliwa

Produkty wielkiego pieca

Surówki

Klasyfikacje surówki:

Ze względu na budowę (strukturę) rozróżnia się surówki:

•biała, o białym przełomie, zawierająca węgiel wyłącznie w stanie związanym w postaci cementytu

•szara, o szarym przełomie, zawierająca węgiel w stanie wolnym, w postaci grafitu

•pstra (połowiczna), zawierająca skupienia węgla zarówno w stanie związanym jak i wolnym.

Ze względu na zawartość fosforu:

•fosforowa, o zawartości fosforu do 1,2%

•hematytowa, o zawartości fosforu do 0,1%

Ze względu na przeznaczenie:

•besemerowska, o dużej zawartości krzemu, nie zawierająca fosforu i siarki, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Bessemera

•martenowska, przeznaczona do wytworzenia stali w piecu martenowskim

•tomasowska, o dużej zawartości fosforu i małej zawartości krzemu, przeznaczona do wytworzenia stali metodą Thomasa

•odlewnicza, przeznaczona do przetopu w odlewni żeliwa

PRZECHOWYWANIE SURÓWKI

Przekrój poprzeczny mieszalnika: 1 - kadź wlewająca surówkę do mieszalnika, 2 - ciekła surówka, 3 - mieszalnik w Położeniu stałym, 4 - mieszalnik przechylony, 5 - urządzenie do przechylania mieszalnika, 6 - kadź zapełniona ciekłą surówką w celu przewiezienia jej do stalowni [5]

MASZYNA ROZLEWNICZA SURÓWKI

Maszyna rozlewnicza surówki: 1 - kadź surówkowa, 2 - przechylanie kadzi, 3 - rynna Spustowa, 4 - przenośnik złożony z wlewnic, 5 - wagon kolejowy na gąski [7]

Inne produkty procesu wielkopiecowego

• Żelazostopy wielkopiecowe

• Prócz surówek odlewniczych i przeróbczych wytwarza się w wielkich piecach następujące grupy żelazostopów:

• 1. żelazokrzemy niskoprocentowe o zawartości 9 - 17% Si,

• 2. surówki zwierciadliste zawierające 6 - 24% Mn,

• 3. surówki zwierciadliste krzemowe zawierające 8 - 13% Si i 18 do 24% Mn,

• 4. żelazomangany, w których zawartość manganu wynosi 50 - 80%,

• 5. surówki specjalne o większej zawartości krzemu (2 - 4%) i manganu (1,5 - 3,5%).

• Surówki zwierciadliste i żelazomangany wielkopiecowe wykazują prócz dużej zawartości manganu również i znacznie większą zawartość węgla (5 - 7,5%).

Żelazokrzemy wysokoprocentowe (do 80% Si) wytwarzane są nie w wielkich piecach, lecz w piecach elektrycznych. Nie wytwarza się też w wielkich piecach żelazomanganów o małej zawartości węgla.

• Żużel wielkopiecowy

• Rozróżnia się żużel: kawałkowy, granulowany, pienisty i tzw. wełnę żużlową,

• Żużel kawałkowy - otrzymuje się przez wylewanie go do dużych płaskich dołów znajdujących się pobliżu pieców i polewanie wodą jeszcze w stanie gorącym, co powoduje jego pękanie. Zastosowanie: odpowiednie kruszywo stosowane w budownictwie dróg jako kamień podkładowy, na podłoża pod tory kolejowe, jako kruszywo do wyrobu betonów, na podsadzkę w wyrobiskach górniczych itp.

• Żużel granulowany - otrzymuje się przez wylewanie ciekłego żużla do zbiorników zawierających wodę. Stosowany do produkcji cementu hutniczego, cegieł żużlowych, zapraw murarskich, tynkarskich itp. oraz w kopalniach węgla jako podsadzka do wypełniania starych wyrobisk.

• Żużel pienisty, zwany też pumeksem hutniczym, otrzymuje się przez chłodzenie ciekłego żużla małą ilością wody, która parując tworzy pianę żużlową. Stosowany do budowy elementów ściennych oraz jako izolacja cieplna i akustyczna.

• Wełna żużlowa otrzymywana jest przez rozdmuchiwanie ciekłego żużla strumieniem sprężonego powietrza lub pary wodnej. Używany głównie do izolacji cieplnej i akustycznej.

• Gaz wielkopiecowy - stosowany do ogrzewania innych urządzeń.

ZESTAWIENIE SUROWCÓW I PRODUKTÓW WIELKIEGO PIECA

Metalurgia staliwa i stali

• Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych - składniki stopowe - zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.

• Stal otrzymuje się z surówki przeróbczej poprzez usuwanie zanieczyszczeń i nadmiaru takich pierwiastków jak węgiel, krzem, mangan w procesie świeżenia.

• Wytapianie stali przeprowadza się w piecach martenowskich - stary proces, konwertorach i piecach elektrycznych.

• W nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali.

KONWERTOR BESSEMERA

Konwertor Bessemera: 1 - wyłożenie pieca, 2 - dennica, 3 - skrzynka dmuchowa, 4 - czopy, 5 - stojaki, 6 - pierścień oporowy, 7, 8 - doprowadzenie dmuchu, 9 - koło zębate, 10 - zębatka, 11 - napęd hydrauliczny [4]

KONWERTOR THOMASA

Proces bessemerowski

Proces kwaśny - wyłożenie konwertora kwaśne.

Wsad:

Surówka bessemerowska w stanie płynnym zawierająca 1,25 - 1,75% Si (główne paliwo), 1,0 - 1,5%0 Mn (zabezpieczające przed nadmiernym utlenianiem żelaza), minimalne zawartości siarki i fosforu (max. 0,05% S i max. 0,04 % P.

• Przechylenie konwertora i zalanie surówki

• Ustawienie konwertora i włączenie dmuchu

• Iskrowy,

• Płomienny,

• Dymny,

• Po zakończeniu wytopu w celu uzyskania pożądanej zawartości C, Mn, Si oraz odtlenienia stali dodajemy surówkę zwierciadlistą, żelazomangan, żelazokrzem, czasem aluminium

• Przechyla się konwertor,zbiera żużel i wylewa stal

Produkty procesu bessemerowskiego

Stal bessemerowska -zawartość siarki i tlenu większa niż w stali martenowskiej, posiada lepszą zgrzewalność i skrawalność. Przeznaczona do wyrobu drutu, gwoździ, cienkich blach, rur zgrzewanych, stali prętowej do wyrobu i na zbrojenia do żelazobetonu.

Żużel bessemerowski - stosowany jako kwaśny topnik w procesie wielkopiecowym do rud zawierających zasadową skałę płonną

Proces tomasowski

•Proces zasadowy - wymurowanie pieca zasadowe

•Wsad:

•Surówka tomasowska o zawartości do 0,8 % Si, 1,8 - 2,2% P (główne paliwo) i do 1,5% Mn (zwiększa rzadkopłynność żużla,

•Rozżarzone wapno - które reaguje z fosforem w następujący sposób

•2P + 5FeO + 3CaO = Ca₃(PO₄)₂ + 5Fe +Q

•Proces tomasowski przebiega podobnie jak i bessemerowski, z tym, że gdy zawartość węgla spadnie poniżej 0,4% zachodzi dopiero reakcja odfosforowania.

•Po zakończeniu wytopu w celu uzyskania pożądanej zawartości C, Mn, Si dodajemy surówkę zwierciadlistą, żelazomangan, oraz do odtlenienia stali żelazokrzem i aluminium

Produkty procesu tomasowskiego

• Stal tomasowska zawierająca więcej azotu, tlenu i wtrąceń żużlowych od stali martenowskiej i bessemerowskiej, ale jest tańsza. Używana do wyrobu drutu,rur bez szwu, taśm itp., stali prętowej.

• Żużel zasadowy - zawierający około 50% CaO i 20 - 50% P₂O₅ - po zmieleniu stosowany jako nawóz sztuczny zwany tomasyną

PROCES KONWERTOROWY TLENOWY

Zasadowy proces tlenowy

• Produkcja stali w zasadowym procesie tlenowym. Surowcami są tu surówka żelazna z wielkiego pieca oraz złom stalowy. Dodatek złomu zapobiega przegrzaniu metalu.

Konwertor Tropenasa

Konwertor z bocznym dmuchem stosowany w odlewniach do wytopu staliwa.

Wsad - ciekłe żeliwo.

Proces kwaśny podobny do procesu bessemerowskiego.

PROCES MARTENOWSKI

Proces martenowski kwaśny

Wymurowanie pieca kwaśne.

Wsad musi zawierać niewielkie ilości siarki i fosforu.

Stal wykazuje większą jednorodność chemiczną, lepsze odtlenienie i mniejszą zawartość wtrąceń niemetalicznych, a dzięki temu lepszą udarność i plastyczność od stali zasadowej.

Stal droga, stosowana m. in. w przemyśle zbrojeniowym, na wały pnędne itp.

Proces martenowski zasadowy

• Wymurowanie pieca do linii nieco powyżej linii żużla zasadowe.

• Odmiany procesu zasadowego w zależności od rodzaju wsadu:

• Proces rudny - wsad ponad 75% ciekłej surówki i mniej niż 25% złomu stalowego - stosowany rzadko

• Proces złomowo - rudny - wsad- 25 - 50% ciekłej surówki. Dodawana jest ruda w ilości do 20%

• Proces złomowy - wsad - 30 -45% stałej surówki, 55 - 70% złomu, 5% rudy.

• Proces bezsurówkowy - wsad wyłącznie złom.

Przebieg procesu:

• 1. Naprawa pospustowa (ok.. 30 - 40 min).

• 2. Ładowanie wsadu stałego przy użyciu wsadzarek (2-4 godz.) - najpierw kamień wapienny, następnie rudę i zgorzelinę i wreszcie złom. Ciekła surówkę wlewa się po częściowym stopieniu złomu

• 3. Okres topienia i wypalania domieszek. Odsiarczanie , odfosforowanie, częściowe odtlenianie stali

• 4. Ściąganie żużla

• 5. Spust stali

• Całkowity czas wytopu 8 - 10 godzin

• Proces martenowski zasadowy umożliwia otrzymanie bardzo taniej stali w dużych ilościach, zarówno węglowych stosowanych do produkcji wyrobów masowych, jak i stali wysokojakościowych stopowych do wyrobu odpowiedzialnych części maszyn i konstrukcji

Piece elektryczne

• Piece elektryczne łukowe zasadowe i kwaśne

• Piece elektryczne indukcyjne - najczęściej stosowane piece indukcyjne bezrdzeniowe.

PIECE ELEKTRYCZNE ŁUKOWE

• Proces kwaśny - stosowany głównie do wytopu staliwa. Wykazuje gorsze własności niż stal zasadowa.

• Wsad musi zawierać małe ilości siarki i fosforu.

• W procesie kwaśnym łatwiej uzyskać wysokie przegrzanie stali, co zwiększa rzadkopłynność i polepsza wypełnianie form odlewniczych

• Proces zasadowy:

• Istnieje możliwość otrzymywania zarówno stali

węglowych o większych zawartościach węgla, jak i stali stopowych zawierających nawet mniej niż 50% żelaza.

• Wsad podobny jak i w piecu martenowskim

• Proces składa się z dwóch okresów:

• - utleniającego, w czasie którego następuje odfosforzenie kąpieli,

• - redukującego, zwanego także okresem rafinacji stali

• Przebieg procesu wytapiania stali w piecu łukowym;

• 1. Naprawa pieca po spuście,

• 2. Ładowanie wsadu,

• 3. Roztapianie wsadu,

• 4. Świeżenie wsadu

• 5. Odtlenianie,

• 6. Wprowadzenie dodatków stopowych.

• 7. Spust.

• 8. Przygotowanie pieca do następnego wytopu

PIECE ELEKTRYCZNE INDUKCYJNE

• Schemat pieca indukcyjnego bezrdzeniowego: 1 - metal, 2 - ogniotrwała wyprawa, 3 - spirala przez którą przepływa prąd i chłodząca ją woda, 4 - obudowa azbestowa,5 - tygiel, 6 - oś obrotu pieca [4]

RODZAJE STALI

ROZLEWANIE STALI

Odlewanie stali: a) metoda tradycyjna, b) metoda odlewnia ciągłego [2]

KRZEPNIĘCIE WLEWKA

Krzepnięcie wlewków; a) zestali uspokojonej, b) zestali półuspokojonej, c) ze stali nieuspokojonej

STRUKTURA WLEWKA ZE STALI USPOKOJONEJ

RODZAJE STALIW

• Staliwo występuje w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce plastycznej.

• W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%.

• Własności mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych.

• Staliwo ma natomiast znacznie lepsze własności mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne.

• Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:

• węglowe - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego

- niskowęglowe o zawartości węgla do 0,2 %,

- średniowęglowe o zawartości węgla 0,2 - 0,45%,

- wysokowęglowe o zawartości węgla powyżej 0,45%

• stopowe - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe

• Ze względu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości praktycznego zastosowania, wyróżnia się staliwa:

• węglowe

- zwykłej jakości

- wyższej jakości

- najwyższej jakości

• stopowe

- manganowe

- manganowo-krzemowe

- chromowe

- chromowo-molibdenowe

- chromowo-manganowo-krzemowe

- żaroodporne

- odporne na korozję (nierdzewne i kwasoodporne)

- konstrukcyjne do pracy w podwyższonych temperaturach

PIECE W METALURGII ŻELIWA

• 1. Piece szybowe (żeliwiaki bez zbiornika i ze zbiornikiem stałym)

• 2. Piece płomienne

• 3. Piece elektryczne łukowe i indukcyjne

ŻELIWIAKI

Wsad do żeliwiaka

• 1. Surówki wielkopiecowe odlewnicze i stopowe

• 2. Złom żeliwny,

• 3. Złom stalowy,

• 4. Złom obiegowy,

• 5. Wióry

• 6. Żelazostopy i metale techniczne

• 7. Koks jako paliwo

• 8. Topniki ( kamień wapienny, fluoryt, dolomit)

Rodzaje żeliw

• Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem zawierający ponad 2% do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu.

Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości

chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu.

Także i dodatki stopowe wpływają na postać węgla.

• Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu.

• Mangan o zawartości powyżej 0,8% sprzyja powstawaniu zabieleń.

• Fosfor zwiększa zarówno zawartość jak i wymiary wydzieleń grafitu.

• Siarka utrudnia grafityzację.

• Cechy charakterystyczne żeliw:

• Niewielki skurcz odlewniczy - 1,0% do 2,0% .

• Łatwość wypełniania form.

• Dobra obrabialność.

• Żeliwo, dzięki wysokiej zawartości węgla posiada wysoką odporność na korozję.

• Żeliwa dzieli się na następujące kategorie:

• Żeliwo szare:

- szare zwykłe (zawiera grafit płatkowy różnej wielkości),

- żeliwo sferoidalne (zawiera grafit sferoidalny),

- modyfikowane(zawiera drobny grafit płatkowy),

- żeliwo wermikularne.

• Żeliwo białe.

• Żeliwo połowiczne.

• Żeliwo ciągliwe.

• Żeliwo stopowe.

• Żeliwo sferoidalne - jest to żeliwo szare w którym grafit

występuje w postaci kulkowej, pod postacią sferoidalnych skupień.

• Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare,lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu.

• Jako modyfikatorów używa się ceru lub magnezu.ponadto stosowane są: elektron - stop Mg - Al, stopy Ni-Mg, Ni - Si -Mg, Cu - Ni - Mg, Ca - Si -Mg.

• W wyniku sferoidyzacji grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Skupienia te mogą występować w osnowie perlitu lub ferrytu.

• Żeliwo sferoidalne posiada dobre własności wytrzymałościowe.

• Żeliwo modyfikowane - najbardziej rozpowszechniony rodzaj żeliwa przeeznaczony do otrzymywania odlewów wysokojakościowych.

• Do żeliwa dodaje się, tuż przed zalaniem formy, pewną, niewielką, zbliżoną do 1.0% ilość modyfikatorów.

• Najczęściej są to żelelazokrzem, stop żelazokrzemu z wapniem, magnez i inne.

• Modyfikator zwiększa ilości ośrodków krystalizacji, co wpływa na podniesienie drobnoziarnistości żeliwa oraz poprawienie jego

właściwości odlewniczych i wytrzymałościowych.

• Najbardziej znanym na świecie żeliwem modyfikowanym jest żeliwo Meehanite

Żeliwo Meehanite

• Otrzymywanie żeliwa Meehanite

• 1. Wytapianie żeliwa w piecu łukowym z ściśle określonych surowców.

• 2. Kontrola równoważnika eutektycznego węgla i zawartości krzemu decydujących o grafityzacji węgla.

• 3. Pierwsza modyfikacja żeliwa wyjściowego o składzie zbliżonym do żeliwa białego za pomocą FeSi.

• 4. Przelanie żeliwa do drugiego pieca elektrycznego i podgrzanie do temperatury 1400 - 1430⁰C.

• 5. Kontrola i korekta składu chemicznego żeliwa.

• 6. Przelanie żeliwa do kadzi i modyfikacja za pomocą CaSi.

• 7. Zalewanie form.

• Żeliwo wermikularne - jest to żeliwo szare, w którym morfologia grafitu ma postać pośrednią między grafitem płatkowym a grafitem sferoidalnym.

• Żeliwo białe - żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci kruchego cementytu.

• Nazwa żeliwa pochodzi od faktu, iż jego przełom ma jasnoszary kolor.

• Uznawane jest za żeliwo niższej jakości.

• Jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnością i posiada większy skurcz odlewniczy (do 2.0%), niż żeliwo szare.

• Żeliwo połowiczne zwane też żeliwem pstrym - żeliwo, w którym węgiel występuje w postaci grafitu, jak i cementytu.

• Często wykonywane jako żeliwo utwardzone - białe na powierzchni i przechodzące w żeliwo szare w głębi odlewu.

• Nazwa żeliwa pochodzi od faktu, iż na jego przełomie, obserwując go okiem nieuzbrojonym, można zauważyć obszary jaśniejsze i ciemniejsze.

• Ma właściwości pośrednie pomiędzy żeliwem szarym a białym.

• Stosowane na walce hutnicze, walce młyńskie, szczęki zgniataczy w kamieniołomach, części maszyn do kruszenia itp.

• Żeliwo ciągliwe - żeliwo otrzymane w wyniku długotrwałego wyżarzania żeliwa białego.

• Żeliwo takie posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe, porównywalne do stali.

• W czasie wyżarzania cementyt ulega rozkładowi na grafit i ferryt.

• Żeliwo ciągliwe białe otrzymuje się przez wyżarzanie żeliwa białego w atmosferze utleniającej.

• Żeliwo ciągliwe czarne uzyskujemy przez wyżarzanie żeliwa białego w atmosferze obojętnej w temperaturze 900 - 1050⁰C a następnie szybko studzimy do temperatury 800⁰C.

• Żeliwo ciągliwe perlityczne uzyskujemy przez wyżarzanie żeliwa białego w atmosferze obojętnej w temperaturze 900 - 1050⁰C a następnie szybko studzimy,aby nie dopuścić do rozłożenia cementytu zawartego w perlicie.

OTRZYMYWANIE ŻELIWA CIĄGLIWEGO

Żeliwa stopowe

• Żeliwo stopowe - żeliwo, do którego w celu modyfikacji jego własności fizycznych i chemicznych dodawane są dodatki stopowe.

• Najczęściej stosowane dodatki stopowe to krzem, nikiel, chrom, molibden, aluminium.

• Wyróżnia się następujące typy żeliw stopowych:

• Żeliwo odporne na korozję z dodatkiem niklu i molibdenu, stabilizującymi odporny na korozję austenit i z dodatkiem krzemu, chromu lub aluminium, które tworzą odporną na korozję warstwę na powierzchni odlewu.

• Żeliwo kwasoodporne najczęściej z dużym dodatkiem krzemu - odporne na działanie kwasów: azotowego, fosforowego, siarkowego i octowego.

• Żeliwo żaroodporne :

• Silal - przeznaczone na odlewane elementy do pracy w temperaturach

dochodzących do 600°C - 800°C, o podniesionej zawartości manganu 0.7% - 0.8% i krzemu 5% - 7%. Wadą silalu jest wysoka kruchość.

• Nicrosilal - podobne do silalu z dodatkiem 16% - 20% niklu. Charakteryzuje się większą żaroodopornoscią i lepszymi charakterystykami wytrzymałościowymi.

• Niresist - cechuje się wysoką żaroodpornością, a zarazem odpornością na korozję. Zawiera 2.5% krzemu, do 2.0% manganu, 11% do 16% niklu, do 4.0% chromu i do 8% miedzi.

METALURGIA METALI NIEŻELAZNYCH

• Metalurgię metali nieżelaznych można podzielić na metalurgię:

• 1. metalurgię metali nieżelaznych ciężkich; - miedź, kobalt, cynk, cyna ołów, molibden, bizmut, mangan, niob wanad wolfram.

• 2. metalurgię metali nieżelaznych lekkich; - aluminium, magnez, tytan, beryl, lit, sód,

• 3. metalurgię metali szlachetnych; - złoto, srebro, platyna, iryd, rod, ruten,

• 4. metalurgię metali ziem rzadkich; - gal, ind, german, cez, lantan, telur, tor.

METALURGIA MIEDZI

Najważniejsze minerały miedzionośne [1]

Grupa minerałów	Nazwa minerału	Wzór chemiczny	Teoretyczna zawartość miedzi [%]
Siarczkowe	chalkozyn kowelin chalkopiryt bornit	Cu2S CuS CuFeS2 Cu3FeS3	79,9 66,5 34,6 55,6
Tlenkowe	kupryt tenoryt	Cu20 CuO	88,8 79,9
Węglanowe	malachit azuryt	CuC03 • Cu(OH)2 2CuC03 • Cu(OH)2	57,4 55,1
Krzemianowe	chryzokol	CuSi03 • 2H20	36,2
Miedź rodzima	miedź	Cu	do 99,9

90% miedzi otrzymuje się metodą metalurgii ogniowej. Fazy produkcyjne otrzymywania miedzi:

1. Wzbogacanie rud.

2. Uśrednianie, mieszanie, brykietowanie mieszanki koncentratów miedzi.

3. Topienie koncentratów miedzi w piecach szybowych,

4. Rozdzielenie uzyskanego stopu na kamień miedziowy i żużel,

5. Świeżenie kamienia miedziowego w konwertorach poziomych - usunięcie żelaza, siarki, ołowiu, cynku - uzyskanie miedzi konwertorowej,

6. Ogniowa rafinacja miedzi konwertorowej w piecach płomiennych,

7. Odlewanie anod na karuzelowych maszynach rozlewniczych,

8. Elektrolityczne rafinowanie miedzi - oddzielenie metali szlachetnych i uzyskanie czystej miedzi katodowej,

9. Stapianie i rafinowanie miedzi katodowej w piecu płomiennym,

10. Odlewanie wlewków.

Schemat pieca płomiennego do wytopu rudy miedzi: 1 - zasobniki z wsadem, 2 - przestrzeń robocza pieca [1]

Schemat wanny do elektrolitycznej rafinacji miedzi: 1 - żelazobetonowa wanna, 2 - płyty z winiduru, 3 - otwór spustowy, 4 - płyty z miedzi z rafinacji ogniowej, 5 - cienkie arkusze z miedzi elektrolitycznej, 6 - szlam, 7 - elektrolit [2]

METALURGIA ALUMINIUM

• Podstawowe rudy aluminium:

• 1. - boksyty,

• 2. - nefeliny,

• 3. - ałunity,

• 4. - kaoliny.

• Najbardziej znaną metodą otrzymywania aluminium jest metoda składająca się z dwóch faz:

• 1. - otrzymywanie czystego tlenku aluminium metoda Bayera,

• 2. - elektroliza tlenku glinowego w ciekłym kriolicie.

METALURGIA CYNKU

• Rudy cynku:

• 1. - blenda cynkowa ZnS,

• 2 - galman ZnCO₃

• Obecnie stosowane są następujące metody wytwarzania cynku.

• l. Metoda ogniowa (pirometalurgiczna) polegająca na redukcji tlenku cynkowego za pomocą reduktora węglowego w muflach poziomych lub pionowych ogrzanych do ok. 1200 °C. Zredukowany cynk uchodzi z mufli w postaci pary do nadstawki (kondensatora), w której skrapla się; wybierany z nadstawek ciekły cynk surowy poddawany jest następnie rafinacji w celu usunięcia domieszek.

• 2. Nowa metoda ogniowa redukcji i destylacji cynku w piecach szybowych opalanych koksem i wyposażonych w dwa kondensatory

• 3. Metoda hydroelektrometalurgiczna polegająca na ługowaniu wy-prażonego koncentratu rozcieńczonym kwasem siarkowym. Otrzymany w wyniku ługowania roztwór siarczanu cynkowego oczyszcza się z domieszek, po czym następuje wydzielenie cynku z oczyszczonego roztworu w wannach elektrolitycznych z nierozpuszczalnymi anodami. Wydzielony na katodach cynk zdejmuje się z nich, przetapia i odlewa w płyty.

• 4. Metoda elektrotermiczna, tj. wytwarzanie cynku z rud i koncentratów w piecach elektrycznych stosowana przez przemysł cynkowy w bardzo ograniczonym zakresie.

Metalurgia stopów odlewniczych metali nieżelaznych

• Podstawowe stopy metali nieżelaznych

• Stopy miedzi:

• - brązy - stopy miedzi z metalami z wyjątkiem cynku i niklu

• - brązy cynowe,

• - brązy aluminiowe,

• - brązy ołowiowe,

• - brązy krzemowe.

• - inne brązy: np.. aluminiowo - żelazowo manganowy

• - mosiądze - stopy miedzi z cynkiem do zawartości 50% Zn, - - mosiądze ołowiowe, - - mosiądze krzemowe, - - mosiądze aluminiowo - manganowo - żelazowe i inne

• Stopy aluminium

- z krzemem, zwane siluminami, - z miedzią, - z magnezem.

• Stopy cynku

- z aluminium,

- z miedzią,

- z aluminium i miedzią,

- z aluminium miedzią i manganem.

• Stopy magnezu

- z aluminium, - z cynkiem, - z manganem, - z cyrkonem.

• Stopy ołowiu

- z antymonem,

- z cyną i antymonem - stopy łożyskowe.

Piece płomienne do wytapiania stopów metali nieżelaznych: a) piec płomienny na paliwo gazowe Nieprzechylny, b) piec płomienny na paliwo ciekłe lub gazowe obrotowy [5]

Piece elektryczne do wytapiania stopów metali nieżelaznych: a) piec łukowy obrotowy o działaniu pośrednim, b) piec oporowy obrotowy, c) schemat pieca indukcyjnego kanałowego (rdzeniowego) [5]

ODLEWNICTWO

• Odlewnictwo - proces technologiczny wykonywania przedmiotów metalowych poprzez wypełnianie form odlewniczych stopionym metalem.

• Ze względu na rodzaj wlewanego do formy metalu dzielimy na:

- odlewnictwo żeliwa,

- odlewnictwo staliwa,

- odlewnictwo metali nieżelaznych ciężkich,

- odlewnictwo metali nieżelaznych lekkich.

Metody wytwarzania odlewów

Podstawowe pojęcia w odlewnictwie

• Odlew - wyrób metalowy wykonany drogą zalewania form odlewniczych ciekłym metalem.

• Forma odlewnicza - zespół elementów, które po złożeniu tworzą gniazdo (wnękę) o kształtach odpowiadających kształtowi odlewu oraz układu wlewowego.

• Model - przyrząd do odwzorowania w formie odlewniczej kształtów zewnętrznych odlewu.

Znaki rdzeniowe - elementy modelu nie odtwarzające odlewu - służące do wykonania gniazd rdzennikowych w które wchodzą rdzenniki rdzenia.

• Rdzenie - elementy formy odlewniczej odtwarzające kształty wewnętrzne odlewu. Składają się z rdzenia właściwego i rdzennika wchodzącego w gniazda rdzennikowe.

• Rdzennica - przyrząd służący do wykonania rdzenia.

• Masa formierska i rdzeniowa - mieszanina podstawowych i pomocniczych materiałów formierskich służąca do wykonania form jednorazowych i rdzeni.

Operacje procesu wykonania odlewu

1. Wykonanie rysunków odlewu, modelu i formy w oparciu o rysunek konstrukcyjny gotowego wyrobu.

2. Wykonanie modeli i skrzynek rdzeniowych ( zestawu modelowego).

3. Przygotowanie mas formierskich i rdzeniowych.

4. Wykonanie form i rdzeni.

5. Suszenie rdzeni i niekiedy form.

6. Składanie i przygotowanie form do zalewania.

7. Przygotowanie ciekłego metalu.

8. Zalanie form ciekłym metalem.

9. Wybicie odlewów z form i rdzeni z odlewów.

10. Usunięcie układów wlewowych i oczyszczenie odlewów.

11. Ewentualna obróbka cieplna odlewów z powtórnym ich czyszczeniem.

12. Ewentualna naprawa odlewów.

13. Kontrola techniczna i odbiór odlewów.

UKŁAD CZYNNOŚCI W ODLEWNI

ETAPY WYKONANIA ODLEWU

Etapy wykonania odlewu: a) rysunek gotowego wyrobu, b) rysunek odlewu, c) model, d) rdzennica, e) Złożona forma odlewnicza, f) wybity odlew; 1 - naddatek, 2 - znaki rdzeniowe, 3 - połówki rdzennicy, 4 - rdzeń, 5 - skrzynki formierskie, 6 - gniazda rdzeniowe, 7 - forma układu wlewowego, 8 - układ wlewowy [2]

Rysunek odlewu

• W celu wprowadzenia do produkcji nowego wyrobu konieczne jest opracowanie dokumentacji technologicznej, w której skład wchodzą :

- rysunek konstrukcyjny gotowego wyrobu,

- rysunek koncepcyjny sposobu odlewania,

- rysunek surowego odlewu,

- rysunki konstrukcyjne zespołu modelowego

- rysunek formy odlewniczej,

- rysunki oprzyrządowania specjalnego,

- karta technologiczna,

- karty instrukcyjne,

- karta kalkulacyjna wykonania odlewu,

- karta prób,

- warunki techniczne odlewu.

Rysunek surowego odlewu

• Rysunek surowego odlewu powinien zawierać:

- dane rozpoznawcze,

- powierzchnię podziału formy odlewniczej,

- bazy obróbkowe dla wyjściowej operacji obróbkowej,

- naddatki na obróbkę skrawaniem,

- naddatki technologiczne,

- pochylenia i zbieżności ścian odlewu zgodnie z płaszczyzną podziału formy,

- układ wlewowy i nadlewy,

- dopuszczalne odchyłki wymiarowe dla tych powierzchni nieobrabialnych, dla których odchyłki te odbiegają od normy,

- dane dotyczące specjalnych wymagań stawianych odlewom, np. obróbka cieplna, wymagania co do twardości itp.

• Dane rozpoznawcze (nazwa przedmiotu, nr surowego odlewu), tworzywo, miarę skurczową i klasę dokładności) odlewu wpisuje się w tabliczce rysunkowej.

• Powierzchnia podziału formy ma na celu umożliwienie wyjęcia modelu z formy w czasie formowania, a w przypadku dużych odlewów powierzchnię podziału formy stosuje się także w celu zmniejszenia ciężaru dużych modeli. Powierzchnia podziału formy dzieli odlew, formę i skrzynkę odlewniczą na dwie lub więcej części i przebiega ona zasadniczo przez największy przekrój przedmiotu. Na rysunku surowego odlewu zaznacza się ją w postaci osi kolorem niebieskim i nad osią pisze się „G” w kolorze niebieskim, a pod osią „D” również w kolorze niebieskim lub oznacza się jak na rys. Przykład zastosowania i oznakowania powierzchni podziału formy przedstawiono na rys.

• Powierzchnie odlewu, które w późniejszym toku procesu technologicznego będą poddane obróbce skrawaniem, muszą posiadać naddatki o odpowiedniej wielkości. Wielkość naddatku na obróbkę mechaniczną jest znormalizowana i zależy od klasy dokładności odlewania, wielkości danej powierzchni oraz od rodzaju materiału odlewanego ( rys. c).

• Naddatki technologiczne są to te części bądź fragmenty odlewu, które są trudne lub wręcz niemożliwe do wykonania na drodze odlewania w kształcie przedstawionym na rysunku konstrukcyjnym gotowego wyrobu.

•Najczęściej spotykane naddatki technologiczne to:

- wypełnianie wnęk i otworów, które odlewa się jako pełne ( rys. d ),

- łączniki zabezpieczające odlew przed odkształceniami i pęknięciami przy stygnięciu, obróbce cieplnej i wykończeniu,

- dodatkowe nadlewki służące do ustalenia i uchwycenia przedmiotu podczas obróbki mechanicznej ,

- naddatki na skurcz ,

- naddatki wynikające z pochyleń ścian odlewu nie przewidzianych na rysunku przedmiotu.

Układ wlewowy

• Układem wlewowym nazywa się system kanałów wykonanych w formie odlewniczej, który powinien spełniać następujące zadania:

- doprowadzenie ciekłego metalu do ustalonych miejsc wnęki formy z wymaganą prędkością,

- zatrzymanie płynących z metalem zanieczyszczeń i żużla,

- uzyskanie odpowiedniego rozkładu temperatur metalu

wypełniającego formę oraz regulowanie zjawisk cieplnych podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu,

- zasilanie krzepnącego odlewu ciekłym stopem.

• Pierwsze trzy zadania spełniać może część wprowadzająca układu wlewowego, natomiast ostatnie zadanie spełniają części układu zwane

nadlewami lub ochładzalnikami.

Odlew z układem wlewowym i nadlewami: 1 - zbiornik wlewowy, 2 - wlew główny, 3, 4 i 12 - wlewy rozprowadzające, 5 - wlewy doprowadzające, 6 - oddzielacz, 7 - przelew, 8, 9 - nadlewy górne, 10 - nadlew boczny, 11 - szyjki nadlewów [5]

TYPY UKŁADÓW WLEWOWYCH

Schematy położenia odlewu w formie odlewniczej w zależności od poziomu doprowadzenia metalu do wnęki formy [16]

Modele odlewnicze

• Model odlewniczy jest pomocniczym przyrządem o kształcie zewnętrznym odlewanego przedmiotu z pewnymi zmianami podyktowanymi względami odlewniczym . Wymiary modelu powiększone są o wielkości skurczu metalu w czasie krzepnięcia.

• Pod względem konstrukcyjnym modele możemy podzielić na grupy:

I- modele bezpośrednio odtwarzające kształt odlewu: są to modele bezrdzeniowe, czyli tzw. modele naturalne,

II - modele pośrednio odtwarzające kształt odlewu, wymagające stosowania skrzynek rdzeniowych (rdzennic),

III - modele uproszczone.

• 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.

Modele odlewnicze naturalne

Model naturalny niedzielony; a) bez części odejmowanej, b) z częścią odejmowaną: 1 - część odejmowana [5]

Modele odlewnicze niedzielone

Modele odlewnicze dzielone

Modele odlewnicze uproszczone

Rdzennice skrzynkowe

Rdzennice ramkowe

Rdzennica z pancerzem

Materiały formierskie

• Materiały formierskie służą - po odpowiedniej przeróbce - do wykonywania form i rdzeni. Dzielą się na główne i pomocnicze. Masą formierską lub rdzeniową nazywa się mieszaninę głównych i pomocniczych materiałów formierskich z wodą, dobranych w odpowiednich proporcjach i odpowiednio przygotowanych.

• Główne materiały formierskie to:

• piaski formierskie - niektóre z sypkich i luźnych skał osadowych, składające się głównie z ziarn kwarcu o nieregularnych kształtach, gdzie zawartość osnowy ziarnowej wynosi minimum 65% ciężaru. W piaskach tych może występować naturalne lepiszcze mineralne - w ilości do 35%. Poza piaskami formierskimi mogą być stosowane inne minerały charakteryzujące się wysoką ognioodpornością oraz posiadające mniejszą rozszerzalność cieplną jak np korund naturalny i sztuczny, mulit, szamot, magnezyt, chromit, silimanit i cyrkon.

• gliny formierskie zawierające powyżej 50% lepiszcza.

• Pomocniczym materiałem formierskim zazwyczaj są różnego rodzaju spoiwa pochodzenia organicznego i nieorganicznego, służące do spajania ze sobą luźnych ziaren piasku, jak: oleje roślinne, kalafonia, dekstryna, melasa, szkło wodne, żywice syntetyczne i w coraz większym zakresie żywice szybkoutwardzalne na zimno i na gorąco Do pomocniczych materiałów zaliczamy również materiały chroniące masę przed przypaleniem się jej do powierzchni odlewu (grafit, pył węglowy, węgiel drzewny), materiały zwiększające przepuszczalność (torf trociny), pudry formierskie (likopodium, talk).

Materiały formierskie

• Masy formierskie i rdzeniowe można sklasyfikować zależnie od zastosowania i rodzaju:

- masy stosowane do odlewania żeliwa, staliwa i metali nieżelaznych,

- masy do form odlewanych „na wilgotno” i „ na sucho”,

- masy przymodelowe i wypełniające oraz jednolite,

- masy naturalne i syntetyczne,

- masy formierskie i rdzeniowe specjalne (cementowe, ceramiczne i tp.).

• Masy formierskie przygotowuje się ze świeżego piasku i gliny z dodatkiem używanej masy i domieszek. Proces technologiczny przygotowania mas składa się z następujących etapów:

- przygotowanie świeżych piasków z potrzebną zawartością gliny,

- regeneracja masy formierskiej używanej (starej),

- przygotowanie domieszek,

- przygotowanie masy formierskiej z przygotowanych składników.

• Cechy mas formierskich:

1. dobra plastyczność - zdolność przyjmowania kształtu według modelu i zachowania tegoż kształtu,

2. wielka spoistość cząstek masy formierskiej zapewniająca odporność na wszelkiego rodzaju wstrząsy i ciśnienie hydrostatyczne wlewanego metalu,

3. znaczna odporność na wysoką temperaturę płynnego metalu,

4. wystarczająca przepuszczalność gazów i par powstałych w czasie odlewania i podczas procesu stygnięcia metalu w formie odlewniczej,

5. zdolność zachowania pełnej przydatności do wielokrotnego użycia w formie domieszek do nowych mas,

6. łatwe oddzielanie się od ścian gotowego odlewu w czasie wybijania.

Narzędzia i przyrządy formierskie

Do ręcznego wykonywania formy służą specjalne narzędzia formierskie, które zależnie od zastosowania można podzielić na dwie grupy:

• narzędzia służące do zaformowania modelu w skrzynce lub w podłożu odlewni,

• narzędzia służące do wyjmowania modelu, naprawiania części uszkodzonych formy i ostatecznego wykończenia jej.

Metody formowania ręcznego

• Formowanie w gruncie otwarte,

• Formowanie w gruncie pod skrzynką,

• Formowanie w dwóch skrzynkach,

• Formowanie na fałszywce,

• Formowanie z obieraniem,

• Formowanie z luźną częścią,

• Formowanie w trzech i więcej skrzynkach,

• Formowanie w rdzeniach,

• Formowanie w gruncie za pomocą wzorników,

• Formowanie za pomocą modeli szkieletowych,

• Formowanie za pomocą przymiarów kontrolnych,

• Formowanie za pomocą modeli klocków.

FORMOWANIE W GRUNCIE OTWARTE

Formowanie w gruncie otwarte: 1 - grunt odlewni, 2 - podłoże miękkie [5]

FORMOWANIE W GRUNCIE POD SKRZYNKĄ

Formowanie w gruncie pod skrzynką: 1 - podłoże twarde, 2 - warstwa koksu, 3 - rury odpowietrzające, 4 - nakłucia odpowietrzające [5]

Formowanie w dwóch skrzynkach

Wykonanie formy odlewniczej w dwóch skrzynkach z modelu drewnianego niedzielonego składa się z następujących zabiegów.

□ • ustawienie modelu i odwróconej skrzynki dolnej na płycie podmodelowej,

□ • posypanie modelu pudrem formierskim w celu zabezpieczenia przed przywieraniem masy formierskiej,

□ • wypełnienie skrzynki masą przymodelową i wypełniającą oraz ubicie jej,

□ • wykonanie odpowietrzenia nakłuwakiem ,

□ • odwrócenie dolnej połówki formy wraz z modelem o 180 0, ustawienie na modelu odlewu modelu układu wlewowego i górnej skrzynki,

□ • wypełnienie górnej skrzynki masą formierskąi ubicie jej,

□ • rozłożenie ubitych form na części, wyjęcie modeli, reperacje i wykańczanie form -suszenie rdzeni,

□ • składanie formy, przygotowanie do zalania i zalanie ciekłym metalem.

Wykonanie form z modelu dzielonego przebiega w podobny sposób, z tąjednak różnicą że po odwróceniu dolnej skrzynki, w której była zaformowana połowa modelu, układa się jego drugą część, model wlewu, a następnie górną skrzynkę, którą wypełnia się masą formierską.

Przykład formowania ręcznego przy użyciu modelu niedzielonego [16]

FORMOWANIE NA FAŁSZYWCE

FORMOWANIE Z OBIERANIEM

FORMOWANIE Z LUŹNĄ CZĘŚCIĄ

FORMOWANIE W TRZECH SKRZYNKACH

FORMOWANIE W RDZENIACH

FORMOWANIE WZORNIKIEM

Formowanie maszynowe

• Maszyny do wytwarzania form i rdzeni nazywamy ogólnie maszynami formierskimi lub formierkami.

• Formierki mechanizują zasadniczo dwie podstawowe operacje:

- zagęszczanie masy w skrzynkach formierskich lub rdzennicach,

- oddzielenie modelu od formy.

• Ze względu na sposób zagęszczania mas maszyny formierskie dzielimy na;

- prasy, czyli formierki prasujące,

- wstrząsarki,

- wstrząsarki z doprasowaniem,

- narzucarki,

- strzelarki i nadmuchiwarki,

- inne formierki specjalne.

• Ze względu na sposób oddzielania modelu od formy maszyny formierskie dzielimy na: a) oddzielające formę znad modelu;

- formierki trzpieniowe lub ramowe,

- formierki z opuszczanym modelem, b)oddzielające model w górę po odwróceniu formy:

- formierki z obracanym stołem,

- formierki z przerzucanym stołem,

- formierki z obracaną kolumną.

(podział ten dotyczy tylko pras, wstrząsarek i wstrząsarek z doprasowaniem. )

FORMIERKI PRASUJĄCE Z GÓRNYM DOCISKIEM

FORMIERKI PRASUJĄCE Z DOLNYM DOCISKIEM

Przykład formierki z dolnym prasowaniem.

Formierki prasujące stosowane są prawie wyłącznie do wykonywania form małych i średnich.

FORMIERKI WSTRZĄSARKI Z DOCISKIEM

Operacje podczas formowania przy zastosowaniu formierki wstrząsarki z dociskiem: a) ustawienie skrzynki formierskiej i oprószenie płyty modelowej pudrem, b) wypełnienie skrzynki masą i zagę-szczenie mechanizmem wstępnym, c) zagęszczenie płytą prasującą, d ) odpowietrzanie formy, e) od­dzielenie formy od modelu w wyniku podnoszenia jej trzpieniami [5]

NARZUCARKA

STRZELARKA

ODDZIELANIE FORMY OD MODELU

Typy maszyn w zależności od sposobu oddzielania formy od modelu: a) z podnoszeniem trzpieniowym formy, 1 - skrzynka formierska, 2 - model, 3 - trzpienie; b0 modelem przeciąganym, 1 - model, 2 - płyta podmodelowa, 4 - płyta podstawowa; c) z obracanym stołem, d0 przerzucanym stołem [5]

FORMOWANIE POD WYSOKIMI NACISKAMI

Specjalne metody wytwarzania form i rdzeni piaskowych

• Proces CO₂ (masy ze szkłem wodnym),

• Formowanie w formach cementowych,

• Proces CMS (ciekłe masy samoutwardzalne),

• Formowanie w masach żywicznych termoutwardzalnych (gorąca rdzennica),

• Formowanie w masach furanowych samoutwardzalnych (zimna rdzennica).

Proces CO₂

• Stosowany w produkcji jednostkowej i seryjnej odlewów o średnich i dużych wymiarach, bez względu na stopień skomplikowania oraz do produkcji rdzeni

• Masa formierska:

- piasek kwarcowy,

- szkło wodne sodowe (krzemian sodu) w ilości 5 - 7%.

• Po zagęszczeniu masy w skrzynce rdzeniowej lub formierskiej przedmuchuje się ją dwutlenkiem węgla.

• Pod wpływem CO₂ następuje w krótkim czasie utwardzenie masy.

• Stosuje się często do wykonywania rdzeni w strzelarkach współpracujących z maszynami przedmuchującymi rdzenie CO_2.

Masy cementowe

• Stosowane do produkcji jednostkowej i seryjnej odlewów o średnich i dużych wymiarach i o kształtach prostych i średnio skomplikowanych.

• Masa formierska:

- piasek kwarcowy,

- 8 - 12% cementu portlandzkiego, -7 - 10% wody.

• W formie lub rdzennicy utwardza się na powietrzu 24 - 48 godz. Dodatek CaCl₂, MgCl₂ w ilości 5 6% skraca czas wiązania do 8 - 10 godz.

• Zalety:

-niski koszt cementu jako spoiwa,

- mała energia zagęszczania,

- dobra dokładność wymiarowa,

- duża wytrzymałość po utwardzeniu.

• Wady:

- niezbyt dobra jakość powierzchni,

- silne przywieranie masy do powierzchni modelu

Ciekłe masy samoutwardzalne (CMS)

• Stosowane w produkcji jednostkowej i seryjnej odlewów o średnich i dużych wymiarach i kształtach prostych i średnio skomplikowanych.

• Masa formierska:

- piasek kwarcowy,

- szkło wodne,

- żużel chromowy jako utwardzacz,

- dodatki spieniające.

• Masę o konsystencji ciekłej wylewa się na model. Po czasie 20 - 40 min. masa traci płynność i sama utwardza się.

• Zalety:

- obniżenie kosztów produkcji,

- zmniejszenie pracochłonności wykonania odlewu,

- wyeliminowanie potrzeby suszenia form i rdzeni,

- daje się łatwo mechanizować i automatyzować.

• Wady:

- niezbyt dobra wybijalność,

- przyczepność do modeli i rdzennic.

Formowanie w masach żywicznych termoutwardzalnych (gorąca rdzennica)

• Stosowane do seryjnej i masowej produkcji rdzeni małych o podwyższonych wymaganiach wymiarowych.

• Masa rdzeniowa:

- piasek kwarcowy płukany o zawartości lepiszcza max. do 0,5%,

- żywica termoutwardzalna (np. fenolowo - formaldehydowa typu nowolak, mocznikowo - formaldehydowa, furanowa) w ilości 1,5 - 3%,

- katalizator (najczęściej kwas fosforowy), w ilości 5 - 25% w stosunku do żywicy.

• Proces gorącej rdzennicy polega na napełnieniu masą rdzeniową za pomocą nadmuchiwarek lub strzelarek rdzennicy podgrzanej do temp. 200 -3000C Pod wpływem ciepła następuje szybka polimeryzacja spoiwa, powodująca utwardzenie masy rdzeniowej.

• Zalety:

- krótki czas wykonania rdzenia łącznie z procesem utwardzania,

- łatwość automatyzacji procesu wytwarzania rdzeni,

- duża dokładność wymiarowa rdzeni.

Formowanie w masach furanowych samoutwardzalnych (zimna rdzennica)

• Stosowane do produkcji od jednostkowej do masowej przede wszystkim rdzeni od małych do dużych oraz form średnich i dużych o podwyższonej dokładności wymiarowej.

• Masa formierska i rdzeniowa:

- piasek kwarcowy,

- żywice furanowe mocznikowo furfurylowe, fenolowo - furfurylowe, mocznikowe, (w niektórych przypadkach alkidowe, epoksydowe, melaminowe),

- katalizatory.

• Katalizator może być wprowadzony do masy:

- w czasie jej przygotowania,

- po wypełnieniu masą rdzennicy,

- przygotowanie masy i wypełnienie nią rdzennicy odbywa się w jednej maszynie.

• Zalety:

- wysoka jakość odlewów,

- wszechstronność zastosowań,

- wyeliminowanie temperatury jako czynnika utwardzającego,

- duża dokładność wymiarowa.

Specjalne metody odlewania

• Formowanie skorupowe,

• Odlewanie kokilowe grawitacyjne,

• Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem,

• Odlewanie odśrodkowe,

• Odlewanie ciągłe i półciągłe,

• Proces Shawa,

• Odlewanie pod ciśnieniem,

• Odlewanie precyzyjne metodą wytapianych modeli.

Formowanie skorupowe

• Zastosowanie do produkcji seryjnej i masowej form i rdzeni odlewów małych i średnich o wysokich wymaganiach wymiarowych i dobrej

gładkości powierzchni.

• 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 w normalnych warunkach nie zachodzi. Proces wiązania rozpoczyna się pod

działaniem temperatury.

Fazy wykonania formy skorupowej według procesu C (Croning); 1 - płyta modelowa, 2 - połówka modelu, 3 - model zbiornika wlewowego, 4 - płyta wypychaczy, 5 - wypychacze, 6 - trzpienie sprężynowe, 7 - piec grzewczy elektryczny lub gazowy, 8 - zbiornik z masa skorupową, 9 - połówka formy skorupowej, 10 - przyrząd do sklejania połówek form, 11 - zaciski form skorupowych, 12 - skrzynka formierska, 13 - forma skorupowa, 14 - suchy piasek wypełniający [8]

• Etapy wykonywania form skorupowych:

- oczyszczenie płyty modelowej i pokrycie jej oddzielaczem (np. olejem silikonowym,

- podgrzanie elektrycznie lub gazowo płyty modelowej do temperatury 220 - 300⁰ C,

- obrót płyty modelowej o 180⁰ i połączenie ze zbiornikiem z masą skorupową,

- obrót płyty modelowej ze zbiornikiem do pierwotnego położenia i przetrzymanie przez okres 6 - 25 s - powstanie skorupy,

- ponowny obrót o 180⁰ - masa opada, odłączenie zbiornika z masą,

- utwardzanie skorupy w temperaturze 300 - 400⁰ C przez 1 - 3min,

- zdjęcie skorupy i klejenie połówek form skorupowych za pomocą klejów żywicznych

- zalewanie form.

• Zalety formowania skorupowego:

- możliwość zastosowania do wszystkich stopów odlewniczych, (ze względów ekonomicznych stosowane głównie dla żeliw, najczęściej w przemyśle motoryzacyjnym),

- uzyskanie odlewów o małej chropowatości powierzchni i dużej dokładności wymiarowej,

- możliwość uzyskania odlewów o cienkich ściankach,

- częściowe lub całkowite wyeliminowanie obróbki skrawaniem,

- łatwość automatyzacji i mechanizacji procesu.

• Wady formowania skorupowego:

- wysoki koszt materiałów formierskich,

- skomplikowane i drogie maszyny do formowania,

- ograniczenie masy odlewu do 100kg, (najczęściej 20 - 30 kg).

Odlewanie kokilowe grawitacyjne

• Odlewanie kokilowe grawitacyjne polega na wykonywaniu odlewów poprzez zalanie ciekłym metalem form metalowych zwanych kokilami. Kokile są formami wielokrotnego użytku.

• Zastosowanie do produkcji seryjnej, wielkoseryjnej i masowej odlewów średnich i małych, przede wszystkim ze stopów metali nieżelaznych, w mniejszym zakresie z żeliwa.

• Kokile wykonuje się z:

- żeliwa szarego perlitycznego - do odlewów z metali nieżelaznych i małych odlewów cienkościennych z żeliwa,

- żeliwa szarego stopowego niskokrzemowego do odlewania wszystkich stopów metali nieżelaznych i żelaza,

- żeliwa sferoidalnego do odlewania głównie średnich odlewów żeliwnych i staliwnych,

- staliwa węglowego do odlewania dużych odlewów żeliwnych i staliwnych,

- staliwa niskostopowego stosowane do średnich i dużych odlewów ze stopów aluminium i żelaza.

• Kokila odtwarza kształt zewnętrzny odlewu.

• Kształt wewnętrzny odlewu odtwarzają rdzenie stalowe lub wykonane z mas rdzeniowych.

• Przebieg odlewania w kokili:

- oczyszczenie powierzchni kokili i rdzeni metalowych,

- podgrzanie do temperatury 150 - 200⁰C,

- przygotowanie kokili do złożenia,

- naniesienie warstwy pokrycia izolującego na powierzchnie robocze kokili i rdzeni,

- oczyszczenie wnęki kokili sprężonym powietrzem,

- złożenie kokili i rdzeni,

- zalanie kokili ciekłym metalem,

- zakrzepnięcie odlewu,

- wyjęcie rdzeni metalowych,

- rozłożenie kokili,

- wyjęcie odlewu.

• Zalety odlewania kokilowego grawitacyjnego: -duża dokładność i stałość wymiarowa odlewów,

- dobra gładkość i czystość powierzchni odlewów,

- możliwość uzyskania cienkich ścianek odlewów, -duża wydajność procesu,

- wyeliminowanie skrzynek formierskich, ich składowanie i transport,

- łatwa mechanizacja i automatyzacja procesu.

• Wady odlewania kokilowego grawitacyjnego:

- ograniczone zastosowanie do odlewania niektórych stopów zwłaszcza żelaza,

- ograniczony kształt i wielkość odlewu,

- wysoki koszt kokili.

Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem

• Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem - forma wypełniana jest pod niewielkim ciśnieniem lub podciśnieniem zwykle nie przekraczającym 0,2 MN/m², najczęściej poniżej 0,1 MN/m².

• Zastosowanie tylko do odlewania stopów metali nieżelaznych.

• Zalety procesu:

- zmniejszenie lub wyeliminowanie nadlewów, gdyż odlew w czasie krzepnięcia połączony jest z ciekłym metalem w piecu,

-lepsze niż przy odlewaniu kokilowym grawitacyjnym wypełnienie formy,

- lepsza lejność metalu wskutek wyższej temperatury,

- łatwiejsza mechanizacja i automatyzacja procesu.

• Wady:

- wysokie koszty urządzenia, gdyż kokila związana jest z jednym piecem,

- wyższe koszty eksploatacji (droga instalacja ciśnieniowa, konieczność częstej wymiany rur wlewowych).

Odlewanie w formach wirujących (odśrodkowe)

• Odlewanie odśrodkowe polega na doprowadzeniu ciekłego metalu do wirującej formy. Pod wpływem siły odśrodkowej metal odtwarza kształty odlewu i ulega zakrzepnięciu.

• Metody odlewania odśrodkowego:

a) odlewanie odśrodkowe gdzie oś odlewu pokrywa się z osią wirującej formy;

- oś wirowania pozioma,

- oś wirowania pionowa,

b) odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym - oś wirowania pokrywa się z osią wlewu głównego.

• Zastosowanie: seryjna i masowa produkcja odlewów o kształtach brył obrotowych (odlewy rur i o kształcie rur, tuleje, pierścienie, bębny hamulcowe, obudowy

łożysk,odlewy kół, wałów itp.).

Schemat odlewania odśrodkowego w formie z poziomą osią obrotu [8]

Metoda ta wykorzystywana jest do wykonywania odlewów o kształtach brył obrotowych dla których L>D, jednak max L= 5D.

Stosowane są maszyny z przesuwną wirującą formą i stałą rynną lejniczą oraz z stałą wirującą formą i przesuwną rynną lejniczą.

Metoda ma zastosowanie do wykonywania odlewów o kształtach brył obrotowych dla których L < D. Ograniczenie jest spowodowane spływaniem metalu w dół i zwiększaniem grubości ścianki w dolnej części odlewu.

• Zalety procesu:

- lepsze własności wytrzymałościowe niż w odlewach uzyskanych w kokilach zalewanych grawitacyjnie i w formach piaskowych,

- polepszenie własności technologicznych i fizykochemicznych,

- zmniejszenie i wyeliminowanie porowatości odlewów,

- zmniejszenie lub wyeliminowanie układów wlewowych i nadlewów zwiększa uzysk,

- łatwość uzyskiwania odlewów wielowarstwowych.

• Wady:

- ograniczenie odlewania kształtem odlewu,

- wysoki koszt urządzeń i ich eksploatacji,

- opłacalność jedynie przy wykonywaniu dużych serii odlewów,

- mała uniwersalność urządzeń,

- trudności przy mechanizacji, a zwłaszcza automatyzacji procesu

Odlewanie ciągłe i półciągłe

• Odlewnie ciągłe polega na wlewaniu ciekłego metalu do krystalizatora, w którym metal po skrzepnięciu przybiera określony kształt i w tej postaci w sposób ciągły lub skokowo usuwany jest z drugiej strony a następnie cięty na odcinki.

• Odlewanie półciągłe odbywa się na tej samej zasadzie, ale długość odlewu jest ściśle określona.

• Urządzenia do odlewania ciągłego i półciągłego mogą być pionowe i poziome.

• Zastosowanie:

- produkcja seryjna i masowa prętów okrągłych i profilowych oraz płaskich zamiast wyrobów walcowanych,

- produkcja rur,

- produkcja wlewków jako półwyrobów do przeróbki plastycznej.

• Stosuje się do stopów metali nieżelaznych oraz do żeliwa.

Schemat odlewania ciągłego: a) w pozycji pionowej, b) w pozycji poziomej [2]

Odlewanie metodą Shawa

• Zastosowanie w produkcji jednostkowej i seryjnej odlewów średnich i dużych (nawet do 3 ton-najczęściej 1 - 150 kg) o wysokich wymaganiach wymiarowych i gładkości powierzchni. Metodą tą wykonujemy m. in. matryce kuzienne, kokile, części form ciśnieniowych, formy dla przemysłu gumowego i szklarskiego.

• Masa formierska:

- sproszkowane materiały wysokoogniotrwałe (sylimanit, mulit, mączka cyrkonowa),

- ciekłe spoiwo (zhydrolizowany krzemian etylu rozpuszczony w spirytusie.

• Wykonanie formy:

- przygotowanie masy formierskiej w postaci gęstego szlamu,

- wylanie masy na model ustawiony w skrzynce i wykonanie warstwy przymodelowej,

- wypełnienie pozostałej objętości skrzynki masą wypełniającą,

- gdy masa uzyska konsystencję gumy wyjmujemy model,

- wypalenie formy w piecu lub przez podpalenie wydzielających się par alkoholu,

- złożenie formy, zalanie formy ciekłym metalem.

• Zalety:

- wysoka dokładność wymiarowa,

-wysoka gładkość powierzchni odlewu pozwalająca na ograniczenie lub wyeliminowanie obróbki skrawaniem.

• Wady:

- metoda trudna do mechanizacji,

- metoda droga.

Odlewanie ciśnieniowe

• Odlewanie pod ciśnieniem nazywane również odlewaniem ciśnieniowym jest rozwinięciem odlewania kokilowego i polega na wprowadzeniu do formy metalu na który wywarte jest

ciśnienie 2,0 - 350 MN/m².

• Zastosowanie - masowa produkcja odlewów małych i średnich (od kilku gramów do ok. 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.

• Klasyfikacja maszyn ciśnieniowych:

1) maszyny z gorącą komorą ciśnienia;

a) powietrzne (sprężarkowe) - w których bezpośrednio na metal działa sprężone powietrze lub gaz ciśnieniu do 4,0 MN/m².

- z nieruchomą komorą ciśnienia,

- z ruchomą komorą ciśnienia,

b) tłokowe - w których ciśnienie na metal wywiera tłok,

2) maszyny tłokowe z zimną komorą ciśnienia:

a) z poziomą komorą ciśnienia,

b) z pionową komorą ciśnienia.

Podział i schematy maszyn tłokowych do odlewania pod ciśnieniem: a) maszyna gorąco komorowa, b) maszyna zimno komorowa pozioma, c) maszyna zimno komorowa pionowa : 1 - nieruchoma część formy, 2 - ruchoma część formy, 3 - kadłub przedni maszyny, 4 - tłok prasujący, 5 - komora ciśnienia gorąca lub zimna, 6 - wnęka formy odtwarzająca odlew, 7 - wlew, 8 - gorący zbiornik cylindryczny z przewodem wlewowym, 9 - tygiel pieca grzewczego, 10 - tłok dolny do ucinania wlewu i wyrzucenia nadmiaru metalu w postaci zestalonego krążka [8]

Schemat zalewania formy na maszynie do odlewania pod ciśnieniem z pionową zimną komorą i wlewem dyszowym: 1 - tłok prasujący, 2 - komora ciśnienia, 3 - ciekły metal, 4 - dolny tłok, 5 - sprężyna, 6 - nieruchoma połówka formy, 7 - ruchoma połówka formy, 8 - wypychacze, 9 - dysza wlewowa, 10 - odlew, 11 - metal znajdujący się w układzie wlewowym, 12 - nadmiar metalu [2]

Maszyny ciśnieniowe sprężarkowe: a) z nieruchomą komorą ciśnienia i zakrytym zbiornikiem; 1 - zatyczka, 2 - otwór wlewowy metalu do zbiornika, 3 - otwór doprowadzający sprężone powietrze, 4 - wlew główny, 5 - komora ciśnienia, 6 - wlew doprowadzający, 7 - forma, b) z ruchomą komorą ciśnienia; 1 - wlew doprowadzający, 2 - forma, 3 - dysza, 4 - rurka doprowadzająca powietrze, 5 - komora ciśnienia, 6 - tygiel [12]

• Zalety odlewania ciśnieniowego:

- bardzo duża dokładność wymiarowa,

- bardzo mała chropowatość,

- możliwość uzyskiwania odlewów o bardzo cienkich ściankach,

- bardzo duże ograniczenie lub wyeliminowanie obróbki skrawaniem,

- lepsze własności mechaniczne, chemiczne i fizyczne odlewów,

- mniejszy ciężar surowych odlewów,

- bardzo duża wydajność.

• Wady odlewania ciśnieniowego:

- wysoki koszt maszyn i oprzyrządowania,

- długi czas przygotowania produkcji,

- ograniczona wielkość i masa odlewów,

- trudności w odlewaniu odlewów o grubszych ściankach (może wystąpić porowatość),

- ograniczenie zastosowania do niektórych stopów (głównie stopów cynku, aluminium, magnezu).

• Odmiany odlewania ciśnieniowego:

- odlewanie z krzepnięciem pod ciśnieniem,

- odlewanie próżniowo - ciśnieniowe,

- proces Acurad.

Odlewanie metodą wytapianych modeli

• Jedna z najstarszych metod odlewania. Polega na wykonaniu modelu z substancji łatwotopliwej, którą pokrywa się warstwą ceramiczną. Następnie model wytapia się, skorupę wypala się i zalewa ciekłym metalem.

• Zastosowanie do produkcji seryjnej i wielkoseryjnej bardzo drobnych i drobnych odlewów o najwyższej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni (przemysł precyzyjny, zbrojeniowy, narzędziowy, motoryzacyjny, maszynowy, artystyczny, jubilerski itp.)

• Masa modelowa:

- mieszanina parafiny, stearyny, cerezyny, kalafoni, wosku pszczelego itp.

• Modele odlewu i układu wlewowego wykonuje się najczęściej w matrycach metalowych, rzadziej gumowych, cementowych lub gipsowych.

• Masa ceramiczna:

- sproszkowana mączka kwarcowa lub cyrkonowa, szamotowa, mulit, sylimanit itp..

- spoiwa - roztwory na bazie krzemianu etylu lub zolu kwasu krzemowego, a przy mniejszych wymaganiach szkło wodne.

-rozpuszczalniki i inne materiały: spirytus etylowy, aceton, hydrazyt, kwas solny, woda destylowana.

• Operacje procesu odlewania metodą modeli wytapianych

- wykonanie modeli odlewów i układu wlewowego,

- montaż modeli na wlewie głównym,

- tworzenie powłoki ceramicznej poprzez kilkakrotne zanurzanie zestawu modelowego w płynnej masie ogniotrwałej i obsypywanie piaskiem kwarcowym,

- tworzenie powłoki samonośnej, lub umieszczanie w skrzynkach formierskich,

- wytapianie modeli (może odbywać się w urządzeniach wannowych, bębnowych lub komorowych z wykorzystaniem gorącego powietrza lub pary wodnej,

- w razie potrzeby dodatkowe wypalanie formy w piecach komorowych w temperaturze 850 - 900⁰C,

- zalewanie ciekłym metalem,

- wybijanie odlewów z formy,

- odcinanie odlewów od wlewu głównego,

- czyszczenie i wykańczanie odlewów.

• Zalety procesu:

- uzyskiwanie największych dokładności wymiarowych i gładkości powierzchni,

- zastępowanie drogich odkuwek i obróbki skrawaniem poprzez wykonanie odlewów precyzyjnych,

- możliwość uzyskania odlewów o bardzo złożonych kształtach, niemożliwych do wykonania innymi metodami,

- możliwość wykonania odlewu z dowolnego stopu (w produkcji seryjnej i wielkoseryjnej stosowana najczęściej do staliw , zwłaszcza stopowych, rzadziej żeliw i stopów miedzi, a wyjątkowo do stopów aluminium),

- można uzyskiwać odlewy cienkościenne.

• Wady procesu:

- proces trudny do mechanizacji i automatyzacji,

- ograniczona masa odlewu, zasadniczo do 1 - 2 kg, wyjątkowo do 10 kg.

ZALEWANIE FORM

Tabela 3.16. Temperatura odlewania różnych stopów stosowanych clo wytwarzania odlewów

Rodzaj stopu	Rodzaj odlewu		Temperatura przegrzania °C	Temperatura odlewania °C
Stopy aluminium	grubość ścianki odlewu mm	do 10 10-20 ponad 20	730-750 710-730 700-710	710-730 700-710 690-700
Brązy cynowe i fosforowe		do 10 10-20 ponad 20	1150-1200 1100-1150 1050-1100	1100-1150 1050-1100 1000-1050
Brązy krzemowe		do 10 ponad 10	1100-1180 1080-1110	1070-1150 1050-1080
Brązy aluminiowe		do 10	1150-1250	1100-1200
Mosiądze krzemowe		do 10 ponad 10	1130-1180 1080-1130	1100-1150 1050-1100
Staliwo węglowe i niskostopowe	odlewy drobne i średnie odlewy ciężkie		1550 1520	1440-1470 1420-1450
Staliwo wysokostopowe	odlewy drobne i średnie odlewy ciężkie		1570 1540	1460-1480 1440-1460
Żeliwo szare 150 i 250	odlewy drobne średnie ciężkie		1380 1340 1310	1300-1350 1250-1300 1220-1250

Krzepnięcie i stygnięcie metalu w formie

• Po zalaniu formy ciekłym metalem rozpoczyna się proces krzepnięcia i stygnięcia odlewu, którego jakość zależy od:

- właściwości fizycznych i technicznych materiału formy (przewodność cieplna, wytrzymałość, podatność, przepuszczalność),

• - właściwości fizycznych i mechanicznych materiału odlewu (temperatura zalewania, płynność, przewodność cieplna, wytrzymałość w wysokich temperaturach, jednorodność),

• - wielkości skurczu materiału odlewu.

• Najważniejszym zjawiskiem towarzyszącym procesowi krzepnięcia i stygnięcia jest skurcz metalu. Jest to zmniejszenie wymiarów odlewu w stosunku do odpowiednich wymiarów modelu, według którego wykonano formę odlewniczą.

SKURCZ METALU

Skurcz metalu w czasie stygnięcia: a - forma po zalaniu, b - skurcz w stanie ciekłym S₁, c - skurcz w okresie krzepnięcia S₂, d - skurcz w stanie stałym S₃

Skurcz może być swobodny w odlewach o kształtach prostych (płyty, wałki) lub hamowany w odlewach o kształtach złożonych (tuleje, koła, rury). Hamowanie skurczu metalu mogą spowodować czynniki mechaniczne (opór formy, rdzeni, użebrowania skrzynek) i cieplne (różny skurcz poszczególnych części odlewu wynikający z rożnych grubości ścianek, a tym samym z różnych szybkości stygnięcia).

KRZEPNIĘCIE I STYGNIĘCIE METALU W FORMIE

Schematyczne przedstawienie zasady krzepnięcia: a - jednoczesnego, b - kierunkowego [8]

Wybijanie, czyszczenie i wykańczanie odlewów

• Wybijanie odlewów:

- wybijanie ręczne,

- wybijanie zmechanizowane;

-na wstrząsarkach,

- na kratach wibracyjnych,

- w bębnach.

• Czyszczenie odlewów:

- piaskownie,

- śrutowanie,

- czyszczenie wodne,

- czyszczenie pneumatyczne.

• Wykańczanie odlewów (usuwanie części układu wlewowego, zalewek, użebrowań i nierówności powierzchni, usuwanie wad odlewniczych, ewentualna obróbka cieplna i skrawaniem).

Wady odlewnicze

• Wady odlewnicze dzielą się na 5 grup:

1) wady kształtu, (niedolew, guz, niedotrzymanie wymiarów, przestawienia),

2) wady powierzchni, (chropowatość, wzarcia, nakłucia, strupy, przypalenia itp.),

3) przerwy ciągłości, (pęknięcia na zimno i na gorąco, niespaw itp.),

4) wady wewnętrzne - wykrywane za pomocą badań rentgenograficznych lub ultradźwiękowych, (jama skurczowa, bąbel, pęcherz, sitowatość, zażużlenia itp.),

5) wady materiału - stwierdza się poprzez badania metalograficzne wytrzymałościowe, składu chemicznego, (niezgodności z wymaganiami technicznymi)

58

Przekrój wielkiego pieca: 1 - gardziel, 2 - szyb, 3 - przestron, 4 - spadki, 5 - gar, 6 - trzon [7]

Struktura wlewka stali uspokojonej: 1- górna powierzchnia wlewka (głowa), 2 jama skurczowa, 3 ,4- Rzadzizna osiowa i porowatość, 5 - strefa kryształów różnokierunkowych, 6 - strefa kryształów zamrożonych, 7,8,9 - strefa kryształów słupkowych, 10- struktura drobnodendrytyczna [9]

Przebieg wyżarzania odlewów z żeliwa białego w celu

otrzymania żeliwa: a) ciągliwego białego,

b) ciągliwego czarnego, c) ciągliwego perlitycznego [6]

Piec szybowy do wytapiania kamienia miedziowego: 1- urządzenie zasypowe zamknięte podwójnym stożkiem, 2 - wylot gazów, 3 - dysze, 4 - skrzynie wodne, 5 - murowana część szybu, 6 - przewód powietrzny, 7 - otwór spustowy [1]

Konwertor poziomy: 1 - płaszcz, 2 - dennica, 3 - rolka oporowa, 4 - pierścień zębaty, 5 - podstawa rolki, 6 - fundament, 7 - gardziel, 8 - silnik elektryczny, 9 - rura rozdzielacza powietrza, 10 - dysze [1]

Schemat wanny elektrolitycznej z ciągłą anodą i górnym doprowadzeniem prądu: 1 - cegła Szamotowa, 2 - bloki katodowe, 3 - pręty katodowe, 4 - boczne płyty węglowe, 5 - tlenek glinu, 6 - warstwa zakrzepłego elektrolitu, 7 - ciekły elektrolit, 8 - aluminium, 9 - układ odciągu gazów, 10 - anoda, 11 - sworznie doprowadzające prąd do anody [5]

Modele odlewnicze - ze znakami rdzeniowymi - niedzielone :a) bez części odejmowanej, b) z częścią odejmowana [5]

Modele naturalne dzielone: a) bez części odejmowanej, b) z częścią odejmowaną, 1 - płaszczyzna podziału [5]

Modele odlewnicze - ze znakami rdzeniowymi - dzielone: a) bez części odejmowanej, b) z częścią odejmowaną [5]

Rdzennica skrzynkowa: 1 - kołki ustalające, 2 - wzmocnienia, 3 - rdzeń [5]

Rdzennica ramkowa: a) zwykła, otwarta, ustawiona na płycie podrdzeniowej; b) z obejmą, ze zdjętym jednym bokiem [5]

Podstawowe narzędzia do formowania ręcznego: 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 [16]

Przykład formowania ręcznego przy użyciu modelu dzielonego: a) rysunek zwężki rury i rdzenia, b) rdzennica (skrzynka rdzeniowa), c) model, d), e), f), g) kolejne fazy formowania [16]

Formowanie na fałszywce: a) wykonanie fałszywki, b) formowanie skrzynki dolnej, c) formowanie skrzynki górnej [1]

Formowanie z obieraniem: a) odlew, b) wykonanie skrzynki dolnej, c) obieranie, d) złożona forma, 1 -miejsce obierania [2]

Formowanie z luźną częścią formy: a, b, c) luźne części formy [5]

Formowanie w trzech skrzynkach: 1 - dolne obrzeża, część odejmowana, 2 - górna część piasty, część odejmowana, 3 - środkowa część formy, 4 - dolna część formy , 5 - górna część formy [5]

Forma bloku 6 cylindrowego silnika spalinowego, formowanie w rdzeniach ustawionych w metalowej ramie M [2]

Przykład formowania przy użyciu wzornika; a) urządzenie do formowania wzornikowego, 1 - łożysko, 2 - wrzeciono stalowe, 3 - ramię żeliwne, 4 - pierścień nastawczy; b) formowanie wzornikowe pokrywy, 1 - po­krywa, 2 - formowanie wzornikiem górnej powierzchni pokrywy, 3 - formowanie skrzynki górnej, 4 - formo­wanie pokrywy, 5 - forma przygotowana do zalania [16]

Zasady zagęszczania mas formierskich w formie na formierkach z górnym dociskiem: a) formierka przygotowana do zagęszczania masy w skrzynce; b) zagęszczona masa w skrzynce; c) formierka przy­gotowana do oddzielenia formy od modelu: 1 - cylinder, 2 - tłok, 3 - stół formierski, 4 - płyta modelowa, 5 - skrzynka formierska, 6 - nadstawka, 7 - klocek prasujący, 8 - belka [2]

Narzucarka przejezdna: 1 - przenośnik taśmowy, 2 - rynna, 3 - przenośnik taśmowy, 4 - zsyp, 5 - przenośnik taśmowy, 6 - otwór w obudowie, 7 - siodlo, 8 - skrzynka formierska, 9 - model, 10 - rękaw wysięgnika, 11 - rękaw wysięgnika, 12 - łopatki głowicy narzucarki, 13 - tarcza obrotowa [2]

Schemat konstrukcji i działania formierki z obracaną kolumną [8]

Zasada prasowania pod wysokimi naciskami elastyczną głowicą wielotłoczkową: a) położenie wyjściowe, b) początek prasowania, c) koniec prasowania; 1 - cylinder wyrównawczy ciśnienia, 2 - wielotłoczkowa głowica prasująca, 3 - stopki tłoczków prasujących, 4 - ramka nadstawna, 5 - skrzynka formierska, 6 - stół maszyny z płytą modelową połączony z atakującym w górę cylindrem hydraulicznym [8]

Schemat pracy formierki prasującej pod wysokimi naciskami do bezskrzynkowego formowania metodą Disamatic: a) wstępne zagęszczenie masy za pomocą strzelarki, b) prasowanie, c) oddzielenie lewej płyty modelowej

Kokile z rdzeniami metalowymi i piaskowymi: a) kokile z metalowym rdzeniem dzielonym, b) kokila do odlewów żeliwnych z rdzeniami piaskowymi, c) kokila z czterema rdzeniami metalowymi [8]

Kokila do odlewania tłoków aluminiowych: 1 - ruchoma część korpusu, 2 - nieruchoma część korpusu, 3 - podstawa korpusu, 4 - układ wlewowy [2]

Schemat urządzenia do odlewania pod niskim ciśnieniem [8]

Odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym [8]

Odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym może być wykorzystywane do uzyskania odlewów o dowolnych kształtach

Schemat odlewania rur wodociągowych z kielichem: 1 - płyta dolna, 2 - zaczep, 3 - rdzeń jednorazowy, 4 - kielich, 5 - kadź, 6 - zbiornik wlewowy, 7 - krysta-lizator, 8 - rura, 9 - silnik elektryczny [11]

Proces technologiczny odlewania metodą Shawa: 1 - przygotowanie materiałów ceramicznych, 2 -przygotowanie spoiwa, 3 - przyrządzanie mieszanki, 4 - zalanie formy mieszanką ceramiczną, 5 -oddzielenie formy od modelu, 6 - wypalenie formy, 7 - wygrzanie formy, 8 zalanie formy metalem [21]

Schemat poszczególnych faz odlewania pod ciśnieniem na maszynie z poziomą komorą: a) zalewanie komory, b) zapełnianie wnęki formy, c0 rozwarcie komory i wyjęcie rdzeni, d) wypchnięcie odlewu; 1 - tłok prasujący, 2 - komora ciśnienia, 3 - forma, 4 - wypychacze, 5 - odlew, 6 - rdzeń, 7 - otwór wlewowy [2]

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 [20]

---