WYKŁAD I
Działy inżynierii wytwarzania
odlewanie - O;
spiekanie proszków - C;
obróbka plastyczna - F;
obróbka skrawaniem i erozyjna (ubytkowa) - U;
obróbka cieplna - T;
pokrycia i powłoki - P;
pomiary i kontrole - M;
łączenie nierozłączne ( zgrzewanie, spawanie, lutowanie, klejenie)- N;
łączenie rozłączne - R;
projektowanie technologiczne produkcji - S;
Wytwarzanie - jest to powstawanie części wytworu przez przetwarzanie lub łączenie różnych materiałów, a następnie powstawanie wytworu końcowego z tych części;
Własności metali i stopów - zależą od ich składu chemicznego i struktury.
|
2. własności fizyczne: |
|
|
|
|
własności technologiczne - czyli przydatność dla różnych technik wytwarzania:
wł. odlewnicze:
lejność - zdolność do dobrego wypełnienia formy odlewniczej ;
skurcz odlewniczy - zmniejszanie się objętości przy krzepnięciu i chłodzeniu;
likwacja - niejednorodność chemiczna stopu powstająca przy krzepnięciu;
kowalność - zdolność do odkształcenia się plastycznego i kształtowania bez naruszenia spójności;
spawalność - zdolność do powstawania połączeń spawanych o odpowiednich właściwościach
skrawalność - podatność metalu do obróbki skrawaniem;
WYKŁAD II
Metalurgia żelaza - są to procesy mające na celu otrzymywanie z rud żelaza technicznych stopów żelaza czyli surówki i stali - jest to tzw. prometalurgia lub metalurgia ogniowa; potrzebne surowce;
ruda żelaza; - paliwo; - topniki;
Ruda żelaza - to związek żelaza zanieczyszczony skałą płonną, np. magnetyt -
Fe3O4 - zawiera około 74 % żelaza, średnio w rudach znajduje się 30 do 50 % Fe;
Inne rudy: - hematyt Fe2O3; - limonit 2Fe2O3 . 3H2O; - węglan żelaza; - syderyt FeCO3;
Paliwa czyli głównie koks hutniczy - jest to produkt suchej destylacji węgla kamiennego, najważniejszą cechą jest wytrzymałość na ściskanie; oprócz koksu stosuje się mazut - do przyspieszenia procesu, a także gaz, np.: koksowniczy, ziemny, wielkopiecowy.
Topniki - materiały żużlotwórcze, które obniżają temperaturę topnienia skały płonnej; jeżeli ruda jest kwaśna to topnik jest zasadowy i odwrotnie;
przykłady topników:
topniki zasadowe |
topniki kwaśne |
|
- SiO2 - krzemionka; |
Materiały ogniotrwałe - to przede wszystkim ceramika; cechy:
odporność na wysokie temperatury;
odporność na ścieranie;
mała przewodność cieplna;
mała rozszerzalność cieplna;
Surówka zawiera ok. 3,5 % węgla, co oznacza, że należy poddać ją dalszej obróbce. Poza tym zawiera zanieczyszczenia w postaci siarki i fosforu - są to domieszki niekorzystne, a także krzem i mangan - w niewielkich ilościach jest pożądany; podział: - odlewnicze i przeróbcze.
Stal zawiera do 2 % węgla (przeciętnie 0,8 %) , jej produkcja polega na usuwaniu przez utlenianie niepożądanych składników; temp. topnienia sali to ok. 1500 oC.
Metody otrzymywania stali:
Konwertor |
Piec martenowski |
Piec elektryczny |
ciepło uzyskujemy przez reakcje egzotermiczne utleniania składników surówki - wypalanie tych składników |
ciepło uzyskujemy przez spalanie paliw |
energia elektryczna przekształcana jest w energię cieplną |
Rodzaje konwertorów:
|
Bessemera |
Thomasa |
Tlenowy |
Wyłożenie |
kwaśne |
zasadowe |
zasadowe |
Skład surówki |
ok. 1,5 % Si - gł paliwo;nie usuwa Pi (do 0,04 %) i S (0,05 %) |
ok. P - gł. paliwo; do 1,5 % Mn |
dowolny skład chemiczny |
Pojemność |
ok. 25 t |
ok. 25 t |
60 do 300 t |
Wydajność |
1200 t/ dobę |
1200 t/ dobę |
1200 t/ dobę |
Czas |
40 do 60 min |
40 do 60 min |
40 do 60 min |
Dmuch |
zimne powietrze 1,5 do 2 atmosfer od dołu |
zimne powietrze 1,5 do 2 atmosfer od dołu |
tlen 8 do 15 atm. od góry lancą tlenową |
WYKŁAD III
Do otrzymywania stali stosuje się piece:
łukowe - o natężeniu prądu od 250 do 1000 kWh/t stali; są to piece o pojemności do 30 t ;
............ - o częstotliwości prądu od 30 do 1000 Hz; piece o pojemności do 30 t ;
Spust stali do kadzi przebiega po zakończeniu procesu w piecu stalowniczym.
Obróbka ciekłego metalu w kadzi polega na przedmuchaniu ogniem poprzez ceramiczną kształtkę gazoprzepuszczalną w kadzi. Przepuszczając argon przez ciekły metal powoduje się zmniejszenie się wartości gazów i wtrąceń niemetalicznych (odwodorowanie, odtlenienie, odazotowanie).
Stal z kadzi jest kierowana :
do odlewania (na wlewnicach - odlewanie syfonowe);
COS czyli Ciągłe Odlewanie Stali - jest to proces stabilny o małej ilości odpadów (w porównaniu do odlewów); wlewek jest wstępnie formowany i przecinany na mniejsze odcinki. Otrzymywana stal ma wyższą jakość niż stal wlewkowa.
ODLEWNICTWO.
Odlewnictwo jest ........ techniką wytwarzania wyrobów metalowych nazywanych odlewami polegająca na nadawaniu im kształtów, wymiarów i struktury za pomocą doprowadzenia stopu do stanu ciekłego i wypełnienia nim odpowiednio przygotowanej formy odlewniczej. Około 50% części przemysłowych jest odlewana. Często są to części o skomplikowanych kształtach. Jest to proces skomplikowany ze względu na dużą liczbę czynników.
PODZIAŁ TWORZYW ODLEWNICZYCH
Stopy żelaza
- stopowe; |
|
|
Stopy metali nieżelaznych
- mosiądze |
|
|
|
|
Staliwa stosuje się na odlewy skomplikowane o dużej masie i mocno obciążone np. na koła zębate. Staliwo poddaje się obróbce cieplnej.
TECHNOLOGIA WYTWARZANIA ODLEWU W FORMACH PIASKOWYCH
Do produkcji jednostkowej (do 300 odlewów) model i rdzenie wykonuje się z drewna (klejone z wielu kawałków). Przy formowaniu maszynowym (do 50000 odlewów) modele i rdzenie są metalowe lub z tworzyw sztucznych. Skrzynki formierskie mają kształt .......... , są spawane z blach lub odlewne z żeliwa lub staliwa (dla dużych skrzynek); duże skrzynki są ożeliwowane.
Skład masy formierskiej
piasek krzemowy - 85 do 90 %;
glina - 5 do 10 %;
pył węgla kamiennego - 2 do 6 %;
woda - 2 do 5 %;
Masy formierskiej używa się wielokrotnie - przed ponownym użyciem jest przemielana.
Własności mas formierskich
wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, ścinanie;
ogniotrwałość;
przepuszczalność gazów;
................. czyli zdolność do utraty wytrzymałości po zastygnięciu odlewu;
Stopień zagęszczeni masy - decyduje o powstaniu odlewu bez wad; jest to stosunek objętości masy przed zagęszczeniem do objętości po zagęszczeniu
Masa rdzeniowa nie jest używana powtórnie. Posiada ona lepsze własności od masy formierskiej, gdyż jest najbardziej obciążona mechanicznie i cieplnie.
METODY WYKONYWANIA ODLEWÓW
Odlewanie grawitacyjne
|
b) w formach trwałych |
|
- piaskowe
|
ceramicznych
|
|
Odlewanie ciśnieniowe - w formach trwałych tzw. kokilach.
pod ciśnieniem
odśrodkowe
pod niskim ciśnieniem
inne
Odlewanie w formach grawitacyjnych jednorazowych dotyczy stopów żelaza.
Odlewanie w formach grawitacyjnych trwałych oraz odlewanie ciśnieniowe dotyczy metali nieżelaznych.
WYKŁAD IV
Ochładzalniki - służą do obniżenia skurczu odlewniczego dla dużych przedmiotów:
zewnętrzne;
wewnętrzne;
Główne etapy wytwarzania odlewu :
wykonanie modelu rdzennicy lub kokili
wykonanie formy odlewniczej i rdzeni
przygotowanie ciekłego metalu i wypełnienie nim formy odlewniczej
wybijanie lub usuwanie odlewu z formy, wybijanie rdzeni
oddzielenie układu wlewowego
oczyszczenie i wykończenie odlewu.
Specjalne metody wytwarzania form i rdzeni piaskowych
Proces CO2 - głównie stosowany do rdzeni, jak również do niewielkich form; po zaformowaniu przez rdzeń wykonany z masy formierskiej przepuszcza się CO2. Rdzeń zawiera krzemian sodu lub szkło wodne sodowe Na2 Si2 O5 .Materiały te twardnieją w wynik reakcji z CO2 . Wady: rdzenie po tej obróbce niezbyt dobrze się wybija.
Masy cementowe - skład to ok. 10 cementu portlandzkiego i 7 do 10 % wody; utwardzanie trwa 1 do 2 dób; stosowana do dużych form i rdzeni.
CMS - Ciekłe Masy Utwardzalne zawierają oprócz krzemu szkło wodne i żużel chromowy (utwardzacz), dodatki spieniające (powodują uzyskanie ciekłej formy masy - możliwość jej lania) Stosowana do wielkich serii umożliwia automatyzację procesu. Zastosowana przy dużych odlewach żeliwnych i staliwnych. Wady: nienajlepsza wybijalność co powoduje złą jakość uzyskanego odlewu
Masy żywiczne termoutwardzalne :
proces gorącej rdzennicy (hot box) - małe i cienki rdzenie; polega na ............ do 3 % sproszkowanej żywicy w masie i metalizator (kwas fosforowy). Rdzennicę metalową o temp. 200o C wstrzeliwuje się w masę formierską - utwardzanie trwa ok. 1 min.; Zalety : dokładność, stabilność.
proces zimnej rdzennicy (cool box) - ............ masy przez wstrzelenie do zimnej rdzennicy; użycie katalizatorów i samoutwardzacza masy w rdzennicy - należy do mas żywicznych samoutwardzalnych.
odlewanie ............... (należy do grupy formowania ...............) - masę formierską jest piasek kwarcowy, żywica fenolowa, utwardzacz (tzw. urotropina) i niewielki dodatek nafty; po zetknięciu z nagrzaną płytą żywica rozpuszcza się zwilżając piasek kwarcowy i utwardzacz utwardza skorupę.
proces „C”
fazy wykonania formy:
podgrzanie płyty modelowej do temp. 300oC;
nałożenie zbiornika z masą skorupową - do 25 s;
obrócenie i opadnięcie nie związanej masy;
dodatkowa obróbka cieplna skorupy (300 - 400oC) - do 3 min;
zdjęcie skorupy;
połączenie połówek formy;
zalanie ciekłym metalem form;
W metodzie „C” grubość skorupy zależy od czasu trzymania masy skorupowej na gorącej płycie modelowej. Metoda „D” - Ditenta - stosuje się w niej gorące wkładki metalowe używane do produkcji rdzeni.
zakres zastosowania formowania skorupowego
Cechy:
mała chropowatość powierzchni;
wąskie tolerancje wymiarowe;
cienkie ścianki odlewów;
częściowe lub całkowite wyeliminowanie obróbki skrawaniem;
mniejsze zużycie materiałów formierskich - do 80 % oszczędności w porównaniu z metodami tradycyjnymi;
forma ma dobrą przepuszczalność i małą gazotwórczość;
możliwość długiego przechowania masy i gotowych form skorupowych;
ograniczenia:
wysoki koszt materiałów formierskich i urządzeń;
ograniczenie masy odlewów do 30 kg (wyjątkowo 100 kg);
Jest to metoda stosowana w przemyśle motoryzacyjnym do odlewów żeliwnych i staliwnych
WYKŁAD V
Odlewanie kokilowe
stosowane przy produkcji części samochodowych, przy odlewach ze stopów metali nieżelaznych (stopy Al., miedzi, cynku , magnezu). Nie nadaje się do żeliw i staliw ze względu na wysoka temperaturę , długi czas potrzebny do krzepnięcia. Większość metali nieżelaznych odlewa się kokilowo.
Kolkile wykonuje się z żeliwa szarego lub stopowego , czasem z miedzi; rdzenie wykonuje się czasem stalowe lub jako rdzenie jednorazowe; kokile pokrywą się warstwą ................
Cechy odlewania w kokilach
silny wpływ temperatury form na właściwości i jakość odlewu (wstępne podgrzanie kokili do 200oC);
szybkie krzepnięcie i stygnięcie odlewu kokili;
sztywność formy;
brak przepuszczalności formy;
Zalety:
duża dokładność i stałość wymiarowa;
mała chropowatość i czystość powierzchni;
eliminacja czyszczenia odlewów;
drobnoziarnista struktura odlewu;
możliwość otrzymania cienkich ścianek;
oszczędność metalu (mniej nadlewów);
duża wydajność;
stabilizacja procesu - powtarzalność produktu;
eliminacja mas i skrzynek formierskich;
proces czysty, wygodny i dokładny;
obsługa nie wymaga specjalnych kwalifikacji;
Wady:
ograniczeniem jest produkcja seryjna i masowa;
koszt kokili jest kilkaset razy większy od kosztu formy piaskowej;
Odlewanie kokilowe pod ciśnieniem
ciśnienie od 2 do 350 [MN/m2];
Wady i zalety - podobnie j.w. lecz zwielokrotnione, i dodatkowo;
mała chropowatość;
ścianki od 0,7 mm;
95 % ciekłego metalu to odlew - brak nadlewów;
Odlewanie odśrodkowe (w formach wirujących)
oś odlewu pokryw się z osią wirowania formy; krótkie elementy pionowe, długie elementy poziome
wnęki(?) form w osi; odlewanie brył obrotowych
zalety:
duża szczelność odlewu;
odporność na korozję ;
lepsza przewodność cieplna i elektryczna;
lepsze odgazowanie;
możliwość wykonania odlewów wielowarstwowych;
Metoda Shaua
Formy jednorazowe - stosowane do odlewania matryc .............., kokili w przemyśle gumowym i szklarskim - w produkcji jednostkowej i małoseryjnej (odlewy żeliwne i staliwne). Podstawą jest dokładny model. Na model w skrzynce odlewa się masę ceramiczną (sproszkowane materiały ogniotrwałe i ciekłe spoiwo rozpuszczone w spirytusie). Masa zalana utwardza się do konsystencji gumy. Następnie wypala się ja w temp. 1000oC - powstaje siateczka mikropęknięć umożliwiające odgazowanie odlewu.
Odlewanie precyzyjne metodą wytopionych modeli - metoda traconego wosku.
stosowana do produkcji małych przedmiotów o złożonych kształtach, zwykle ze stali - frezy, wiertła, wirniki turbin;
wykorzystuje się wosk (lub tworzywo sztuczne o właściwościach wosku), tworzy wiele form woskowych łączonych w tzw. grona, które „oblepia się” ceramiką, po czym w formę ceramiczną (po usunięciu wosku) wlewa się metal pod ciśnieniem; gotowe odlewy wydobywa się przez stłuczenie ceramiki;
OBRÓBKA PLASTYCZNA
Jest to rodzaj obróbki, w której zmiany własności struktury i kształtu materiału osiąga się przez jego odkształcenie plastyczne. Obróbka plast. polepsza własności mechaniczne materiału. Obróbkę plast. stosuje się do produkcji masowej i seryjnej.
Ogólny podział obr. plast.:
obróbka na zimno (następuje zgniot i umocnienie);
obróbka na gorąco (zachodzi rekrystalizacja materiału)
Rekrystalizacja - zespół zmian w strukturze metalu pochodzących od utworzenia nowych ziarn
Temperatury rekrystalizacji niektórych metali:
stal - 600 do 1100oC - tzw. wyżarzanie rekrystalizujące;
ołów 15 do 20oC;
cyna ok. 20oC;
miedź ok. 200oC
Zmiana własności metalu przy rekrystalizacji po odkształceniu plastycznym na gorąco
Zdrowienie - wyżarzanie odprężające - następuje zanik naprężeń wewnętrznych
Rekrystalizacja - nawrót pierwotnych własności mechanicznych materiału i odbudowa zgniecionej struktury.
Wzrost ziarna przy stałych własności ach mechanicznych.
Obróbka plast. na gorąco dla stali od 850 do 1200oC.
Temp. topnienia to około 0,6 temp. topnienia
Cechy obróbki plastycznej na gorąco
wzmocnienie w procesie kształtowania - usunięte w całości przez rekrystalizację;
równomierna mikrostruktura;
usunięta pasmowość mikrostruktury;
wytrzymałość wyższa wzdłuż włókien - kierunek obciążenia zgodny z kierunkiem włókien;
Obróbka plastyczna na zimno
Cechy:
intensywne wzmocnienie;
włóknista struktura;
brak śladów zdrowienia i rekrystalizacji;
gwałtowny wzrost wytrzymałości;
zmniejszenie plastyczności;
Obróbka plastyczna metali nieżelaznych i ich stopów.
Metale nieżelazne charakteryzują się wąskim zakresem temperatur obróbki plastycznej na gorąco, np. dla stopów miedzi temp. obr. wynosi od 950 do 1050 oC.
Metody obróbki plastycznej metali nieżelaznych i ich stopów
walcowanie |
kucie |
tłoczenie |
ciągnienie |
|
|
|
cięcie
|
kształtowanie
|
|
WALCOWANIE - proces kształtowania na zimno lub gorąco przez zgniatanie obracającymi się walcami, tarczami, rolkami lub szczękami.
Schematy walcarek
Walcarka duo - kierunek obrotu jest niezmienny - zgniatacz wlewków
Następuje wydłużenie materiału kosztem zmniejszenia wymiarów poprzecznych, głównie grubości.
Zastosowanie - grube blachy; - kęsy;
Rodzaje: - slabing, do produkcji slabów czyli blach; - blooming, do prod. kęsisk kwadratowych;
duo - podwójne
walcarka trio - do produkcji szyn, kształtowników
walcarka kuanto
walcowanie poprzeczne
wyróżnić można walce:
gładkie; - bruzdowe; - profilowe;
Materiał wielokrotnie przepuszczany jest przez walce - zespoły walcownicze instalowane są w wilu układach:
układ liniowy - wadą tego procesu jest stała prędkość, co powoduje spadek temp.; zaletą jest duża dokładność przekroju profilu
układy ciągłe - proces dokładny - materiał przechodzi przez wszystkie walce jednym ciągiem; wadą jest gorsza dokładność w porównaniu z układem liniowym, dlatego stosowane są do walcowania wstępnego.
Nazwy i pojęcia walcownicze.
przepust - jednorazowe przejście materiału między walcami;
gniot - zmniejszenie grubości materiału w ciągu jednego przepustu
gniot bezwzględny - Δh=ho-h1 ;
gniot względny - Eh=Δh/ho ;
współczynnik zgniotu Xh=h1/ho ;
wydłużenie Δl - zmiana długości w ciągu jednego przepustu;
wydłużenie poprzeczne Δb - na szerokości materiału;
ubytek przekroju ΔA - zasada stałej objętości Vo=V1=V2= ... Vn=const.;
Walcowanie skośne - powoduje śrubowy ruch przedmiotu walcowanego; walce ułożone wichrowato względem siebie i osi walcowania .
Walcowanie okresowe - walce ułożone niesymetrycznie względem osi obrotu - o mniejszym przekroju; materiał wykonuje ruch posuwisto zwrotny (małymi odcinkami).
Walcowanie poprzeczne - walcowanie symetryczne względem osi obrotu.
KUCIE
Kucie to proces obr. plast. na gorąco lub na zimno, w którym wytwór kształtuje się przez zgniatanie materiału uderzeniem młota lub naciskiem prasy.
Rodzaje kucia
młotowanie V młota >> 4 [m/s] - młot uderza i działa dynamicznie wykorzystując swoją energię kinematyczną; nacisk młota nie duży lecz wielokrotnie powtarzany;
prasowanie V<1 [m/s] nacisk prasy jest działaniem statycznym; energia doprowadzona przez mechanizmy prasy; naciski są duże, jednorazowe;
Zasady spęczniania
stosunek wysokości pręta do średnicy (smukłość) 2,8 do 3;
równomierne nagrzanie materiału;
odkształcenia nie leżą w granicach odkształceń krytycznych;
energia uderzenia przy spęcznianiu musi być dostatecznie duża;
niedostateczna są wady zewnętrzne;
Zjawiska towarzyszące kuciu:
zgrzewanie się nieutlenionych wad wewnętrznych pochodzenia metalurgicznego;
zwiększenie się gęstości materiału;
zmiana układu segregacji składników;
rozdrobnienie ziaren;
usunięcie skutków przegrzania;
powstanie uprzywilejowanego kierunku płynięcia materiału (struktura włóknista);
zróżnicowanie się własności mechanicznych wzdłuż i w poprzek materiału;
Kucie swobodne - kowadła nie ograniczają przemieszczania się materiału w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu młota;
Kucie ręczne - w kuźniach;
Kucie masywne - do produkcji jednostkowej i małoseryjnej, lub przy dużych wymiarach odkówki
Kucie matrycowe - wypływowe; - bezwypływowe ( do matrycy zamkniętej musi być dokładnie dostosowana ilość materiału wsadowego);
cechy: - wysoka wydajność; - jednorodność; - wysoka gładkość powierzchni; - możliwość otrzymania złożonych kształtów;
Do kucia matrycowego zalicza się także wyciskanie.
Wyciskanie wykorzystuje zjawisko intensywnego płynięcia materiału w określonym kierunku przez otwór w matrycy przy odpowiednio dużych naciskach
Wyciskanie współbieżne
kierunek wypłynięcia materiału zgodny z kierunkiem działania siły; stępne straty materiału 12 do 13 %; wykonuje się w ten spośób złożone profile; stosowane głównie do metali nieżelaznych;
Wyciskanie przeciwbieżne - kierunek wypłynięcia materiału jest przeciwny do kierunku działania siły; w ten sposób wykonuje się tuleje, rury, śruby;
CIĄGNIENIE
Jest to proces przeciągania materiału przez otwór (oczko), ciągadła, lub pomiędzy nienapędzanymi walcami - proces na zimno i na gorąco; otrzymujemy: druty, pręty, rury;
Ciągnienie na zimno powoduje wzmocnienie materiału, dlatego co kilka ciągien przeprowadzany wyżarzanie odprężające w celu zmiękczenia
Ciągadła wykonane są z; - żelaza; - węglików spiekanych; - diamentu;
Procesowi towarzyszy intensywne smarowanie.
KSZTAŁTOWANIE - proces bez zamierzonej zmiany grubości np.: - gięcie; - wytłaczanie;
TŁOCZENIE
cięcie lub kształtowanie przedmiotów o małej grubości w stosunku do pozostałych wymiarów tj. blach, taśm, folii. Proces zachodzi na zimno i na gorąco. Powoduje zmianę kształtu bez zamierzonej zmiany grubości
CIĘCIE
zabieg obr. plast., podczas którego następuje podzielenie materiału z naruszeniem jego spójności
Rodzaje:
cięcie za pomocą dwóch elementów tnących (nożyce, wykrojniki);
cięcie po linii zamkniętej (wykrojniki);
cięcie po linii prostej (nożyce);
za pomocą jednego elementu (stempel) - usuwanie wypływki po kuciu matrycowym;
GIĘCIE
kształtowanie plastyczne z zastosowaniem momentu gnącego; proces realizowany na prasach, walcarkach, przeciągarkach;
odlew
stop metalu
tłok
zdrowienie
rekrystalizacja
wzrost ziarn
naprężenie
wewnętrzne
wytrzymałość
wlk.
ziarn
temperatura
walce
walce
napędowe
walce
oporowe
tłok
matryca