WYKŁAD 7

Metody specjalne odlewania i zakres ich stosowania

Odlewanie w formach skorupowych

Przy formowaniu skorupowym wykorzystuje się podatność w podwyższonej temperaturze masy złożonej z drobnoziarnistego, suchego piasku kwarcowego, zmieszanego ze zmieloną żywicą termoutwardzalną (np. fenolowo-formaldehydową). Warstwa tej masy otaczająca gorący model zostaje nadtopiona, a następnie utwardzona w podwyższonej temperaturze. Dzięki dużej wytrzymałości utworzonej w taki sposób skorupy, grubość jej może być stosunkowo niewielka (zwykle 6-9 mm).

Do formowania używa się metalowej (zwykle żeliwnej lub stalowej) płyty modelowej, którą po podgrzaniu do temperatury 240-300°C zwilża się oddzielaczem. Następnie płytę nakłada się na zbiornik zawierający masę (rys. 1a), po czym zbiornik wraz z płytą obraca się o 180⁰ (rys. 1b). Ciepło podgrzanej płyty nadtapia składnik wiążący w przylegającej do płyty warstwie masy. Plastyczna masa formierska tworzy w ten sposób negatyw płyty modelowej. Gdy grubość nadtopionej warstwy jest wystarczająca (co następuje zwykle po upływie kilkunastu sekund), odwraca się zbiornik wraz płytą; pozostała masa, która nie została dostatecznie nagrzana, odpada (rys. 1c)

a) b) c)

4. e)

Rys. 1 Kolejne zabiegi formowania skorupowego; 1 - zbiornik, 2 - płyta modelowa, 3 - skorupa

Powstałą formę wraz z płytą zdejmuje się ze zbiornika i wkłada do pieca, w którym nagrzewa się ją do temperatury 260 - 280°C przez 1,5 - 2,5 min w celu polimeryzacji żywicy i utwardzenia masy (rys. 1 d) Następnie formę zdejmuje się z płyty za pomocą wypychaczy (rys. 1 e).

Do tak sporządzonych połówek form wkłada się rdzenie, a formy po złożeniu skleja się lub spina klamrami. Rdzenie wykonuje się wdmuchując do podgrzewanych metalowych rdzennic mieszaninę piasku kwarcowego i żywicy tak, aby powstała skorupa.

Po zalaniu formy spoiwo masy ulega częściowo spaleniu, a sama forma rozsypuje się, przez co ułatwione jest oczyszczanie odlewów. Gotowe formy i rdzenie skorupowe nie są higroskopijne i dlatego mogą być przechowywane przez długi okres czasu. Ze względu na małą grubość ścianek odznaczają się one dobrą przepuszczalnością. Powierzchnia odlewów wykonanych w formach skorupowych jest gładka i czysta (4 - 5 klasa chropowatości wg PN).

Wielkość odchyłek wymiarowych odlewów wykonanych w formach skorupowych odpowiada zwykle 12-14 klasie dokładności ISO. Należy przy tym pamiętać, że dokładność wymiarów przecinających powierzchnię podziału formy jest mniejsza, niż wymiarów odtworzonych w jednej połówce formy.

Formowanie skorupowe może być stosowane do odlewania wszystkich stopów z wyjątkiem stopów magnezu i staliwa niskowęglowego. Omawiana metoda jest szeroko stosowana przy produkcji dokładnych odlewów cienkościennych jak głowice i cylindry silników chłodzących powietrzem, wały rozrządu samochodów itp. Formowanie skorupowe można łatwo zautomatyzować stosując wielopozycyjne (4 - 8 stanowiskowe) automaty karuzelowe lub urządzenia z przesuwnymi płytami. W nowoczesnych urządzeniach zamiast nasypywania masy stosuje się jej nadmuchiwanie.

Odlewanie w formach z gipsu

Odlewy otrzymane z form gipsowych mają bardzo gładką powierzchnię nie mają naprężeń własnych ani pęcherzy gazowych oraz mają dokładne wymiary. Odlewanie w formach gipsowych jest ograniczone do stopów nieżelaznych o temperaturze topnienia nie wyższej niż 1050-1200°C. Przy formowaniu w skrzynkach o najczęściej stosowanych wymiarach (300 X 450 mm) masa odlewu nie przekracza 5-8 kg. Najmniejsza osiągalna grubość ścian odlewu wynosi 1 - 1,5 mm. Dopuszczalne odchyłki wymiarowe małych przedmiotów zawierają się w granicach 0,1 - 0,5 mm, zależnie od tego, czy chodzi o wymiary otrzymane z jednej, czy z dwóch połówek formy. Odlewanie w formach z gipsu stosuje się przede wszystkim w przypadku małych serii. Metoda ta nie jest rozpowszechniona w polskich odlewniach.

W celu przygotowania masy formierskiej gips miesza się na sucho z takimi materiałami, jak: talk, piasek, (dawniej azbest), krzemian sodu. Do tej mieszaniny dodaje się odpowiednio odmierzoną ilość wody, aby uzyskać wymaganą przepuszczalność formy. Następnie otrzymaną masę wlewa się do skrzynek formierskich, których wewnętrzne powierzchnie zostały uprzednio pokryte substancją zapobiegającą przywieraniu masy do modelu. Półpłynna masa wypełnia szczelnie skrzynkę formierską odwzorowując w formie bardzo delikatne nawet szczegóły modeli umocowanych na płycie modelowej. Następnie formę poddaje się krótkotrwałemu wibrowaniu. Po zakrzepnięciu formy wyjmuje się ją ze skrzynki i suszy się w piecu przelotowym. Następnie ustawia się w formie rdzenie, łączy obie połówki formy i zalewa się ją metalem. Po zakrzepnięciu metalu formę rozbija się i wyjmuje z niej odlew.

Odlewanie metodą wytapianych modeli i metodą Shawa

Istnieje kilka metod odlewania precyzyjnego, z których największe znaczenie mają:

• metoda wytapianych modeli,

• metoda Shawa.

Metoda wytapianych modeli pozwala na odlewanie przedmiotów z różnego rodzaju stopów (między innymi ze stopów o wysokiej temperaturze topnienia oraz stopów nieobrabialnych) z tak dużą dokładnością, że obróbka mechaniczna w większości przypadków jest zbędna lub też sprowadza się tylko do szlifowania niektórych powierzchni. Dlatego metoda ta w obecnej chwili służy zwykle do odlewania drobnych dokładnych przedmiotów oraz części wykonanych ze stopów specjalnych (łopatki turbin gazowych, narzędzia skrawające itp.).

Istota procesu polega na tym, że model wytwarzanego przedmiotu odlewa się w wosku (zwykle z mieszaniny stearyny, parafiny, cerezyny, wosku pszczelego, kalafonii), z polistyrenu lub mrożonej rtęci. Po zaformowaniu modelu wosk wytapia się i w otrzymaną wnękę formy po wypaleniu wlewa się ciekły metal. Dzięki temu, że forma nie jest dzielona oraz nie jest zniekształcona przez ostukiwanie modelu przy wyjmowaniu go (jak to ma miejsce w formach piaskowych), otrzymuje się w formie dokładne odwzorowanie modelu.

Proces technologiczny odlewania precyzyjnego składa się z następujących operacji:

1. wykonanie dokładnego wzorca, przedmiotu,

2. wykonanie (metodą skrawania lub dokładnego odlewania) formy do odlewania w niej woskowych modeli,

3. odlanie w otrzymanej formie modeli z wosku,

4. spojenie zespołu modeli woskowych z układem wlewowym,

5. pokrycie powierzchni modeli warstwą ognioodpornej masy (zwykle przez zanurzenie modeli w tej masie),

6. pokrycie modeli drobnym piaskiem i wysuszenie ich,

7. obsypanie pokrytych modeli piaskiem lub śrutem,

8. wysuszenie formy i wytopienie wosku,

9. wypalenie formy,

10. zalanie gorącej formy metalem (grawitacyjnie, pod ciśnieniem sprężonego gazu, odśrodkowo lub w próżni).

Dokładność odlewów zależy od ich wymiarów. W przybliżeniu można przyjąć, że tolerancje wymiarowe odlewów otrzymanych metodą wytapianych modeli odpowiadają 11-12 klasie dokładności, a gładkość powierzchni odpowiada w przybliżeniu 5 - 6 klasie chropowatości.

Odlewanie metodą wytapianych modeli jest dość pracochłonne i kosztowne. Dlatego metoda ta znajduje zastosowanie w przypadkach, gdy chodzi o przedmioty dokładne, o dużej gładkości powierzchni, o skomplikowanych kształtach, o przedmioty, które przy zastosowaniu zwykłych metod musiałyby być składane z wielu obrabianych części łączonych za pomocą śrub oraz o przedmioty wykonane ze stopów trudnoobrabialnych (łopatki turbin gazowych, wirniki, zespoły kółek zębatych do maszyn liczących, kształtowe elementy maszyn do szycia, maszyn do pisania itp.).

Metodą Shawa wytwarza się odlewy o ciężarze jednostkowym od kilkudziesięciu dekagramów do paru ton ze staliwa węglowego, staliwa stopowego, żeliwa, stopów miedzi i stopów lekkich. Materiałem formierskim jest mieszanina silimanitu z roztworem krzemianu etylu. Mieszaninę i konsystencji gęstego szlamu wylewa się na model ustawiony w odpowiedniej skrzynce, gdzie następuje proces zestalania jej w czasie od kilkudziesięciu sekund do kilku minut. Po wyjęciu modelu przystępuje się do wstępnego wypalania formy, zapalając wydzielający się z niej alkohol; ponadto zwykle wypala się formę w temperaturze około 1000°C. W przeciwieństwie do metody wytapianych modeli forma jest dzielona.

Istotnym zjawiskiem występującym w formach wytwarzanych metodą Shawa jest siatka mikroskopijnych pęknięć formy powstająca podczas wypalania alkoholu. Pęknięcia te są tak drobne, że nie powodują penetracji metalu, przyczyniają się natomiast do powiększenia odporności formy na uderzenie cieplne, powiększenie przepuszczalności formy dla gazów i stałości wymiarów odlewów.

Uzyskane praktycznie tolerancje T wymiarów odlewów wykonanych metodą Shawa wynoszą przy różnych długościach L:

L < 75 T = ±0,125 mm

200 < L < 400 T = ±0,75 mm

75 < L < 200 T = ±0,4 mm

L > 400 T = ±1,1 mm

Metodą Shawa wytwarza się odlewy dla przemysłu chemicznego, formy dla przemysłu tworzyw sztucznych, formy ciśnieniowe, matryce kuźnicze, odlewnicze, modele metalowe, kokile, tłoczniki itp.

Inne specjalne metody odlewania

Szerokie zastosowanie znalazła metoda wypalanych modeli. Model wykonany z porowatych polistyrenu (styropianu) zaformowuje się w niedzielonej formie piaskowej - podobnie jak model woskowy w metodzie wytapianych modeli. W czasie zalewania metalu model spala się, a metal wypełnia wnękę formy poprzednio zajmowaną przez model. Zaletą metody jest prostota procesu i dokładność odlewu, wadami: zniszczenie modelu podczas odlewania, duża ilość wydzielanych gazów o nieprzyjemnej woni (BHP) oraz w wielu przypadkach - niedostateczna gładkość powierzchni odlewu. Proces ma zastosowanie do wykonywania dużych i średniej wielkości odlewów produkowanych jednostkowo.

Odlewanie w kokilach

Odlewanie w kokilach, tzn. formach metalowych zalewanych pod działaniem siły ciężkości metalu, daje następujące korzyści w porównaniu z odlewaniem w formach piaskowych:

• podniesienie jakości otrzymywanych odlewów przez polepszenie własności wytrzymałościowych, polepszenie gładkości powierzchni, zmniejszenie odchyłek wymiarowych, zmniejszenie ilości braków;

• podwyższenie wskaźników techniczno-ekonomicznych odlewni przez podniesienie wydajności dzięki uproszczeniu technologii i częściowej mechanizacji procesów produkcyjnych, zmniejszenie naddatków na obróbkę lub całkowite jej usunięcie, zwiększenie uzysku dzięki zmniejszeniu ciężaru układu wlewowego, zmniejszenie ilości braków, wyeliminowanie masy formierskiej, zwiększenie wydajności z m² powierzchni odlewni;

• polepszenie warunków bezpieczeństwa i higieny pracy przez zmniejszenie lub wyeliminowanie ciężkich i pracochłonnych robót podczas formowania i wybijania odlewów oraz przez usunięcie pyłu.

Korzyści ekonomiczne odlewania w kokilach są tym większe, im tańsza jest kokila, im większą ilość sztuk można z niej odlać nim się zużyje, im mniej zawiera rdzeni (szczególnie rdzeni piaskowych), im większa jest mechanizacja odlewania oraz im większa jest oszczędność na obróbce mechanicznej i materiale.

Przy stopach miedzi i aluminium ten ostatni warunek ma często decydujące znaczenie ze względu na wysoki koszt materiału.

Najmniejsza ilość sztuk odlewów, przy której opłaca się odlewanie w kokilach wynosi zwykłe dla prostych odlewów kilkaset sztuk, dla skomplikowanych odlewów 1000 - 2000 sztuk. W kokilach odlewa się zarówno stopy miedzi i stopy lekkie jak i żeliwo i staliwo.

Odlewy kokilowe ze stopów aluminium i stopów miedzi są szeroko stosowane na części: armatury gazowej, hydraulicznej i elektrycznej jak: korpusy kranów, zaworów i zasuw, złącza przewodów gazowych i hydraulicznych, złącza kabli elektrycznych, oprawy lamp elektrycznych itp., wyposażenia budynków mieszkalnych, wagonów kolejowych i samochodów, jak: klamki, korpusy zamków, płytki, wałki wieszaki itp., naczyń kuchennych, jak: lane garnki aluminiowe, patelnie, dziobki czajników itp. Odlewy kokilowe ze stopów aluminium i magnezu stosuje się szeroko w budowie maszyn, szczególnie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym (głowice cylindrów, korpusy cylindrów, tłoki itp.). Odlewanie w kokilach żeliwa jest trudniejsze niż stopów miedzi i stopów lekkich ze względu na: wyższą temperaturę zalewanego metalu, większe niebezpieczeństwo pęknięć odlewu wskutek hamowania skurczu przez kokilę, niebezpieczeństwo zabielenia cienkich przekrojów odlewu, mniejszą trwałość kokili. Odlewanie w kokilach części staliwnych napotyka na jeszcze większe trudności, przede wszystkim ze względu na niebezpieczeństwo, pęknięć odlewów, niebezpieczeństwo niedolewów oraz małą trwałość kokili. Odlewy kokilowe z żeliwa stosuje się zarówno na części armatury, naczynia kuchenne, przedmioty codziennego użytku, jak i na części maszyn. Do niedawna odlewano w kokilach tylko nieduże części żeliwne. Nowe doświadczenia wykazały celowość odlewania w kokilach również niektórych średniej wielkości części maszynowych. Na budowę kokili wpływają: właściwości odlewanego stopu (skurcz, przewodnictwo cieplne, temperatura topnienia itp.); kształt i wymiary odlewu oraz wielkość produkcji.

Położenie odlewu w kokili powinno być tak dobrane, aby uwzględniało: kierunkowe krzepnięcie stopu, doprowadzenie metalu umożliwiające zasilanie węzłów cieplnych, dogodne ustawienie i mocowanie rdzeni, łatwe usuwanie odlewu z kokili (dlatego często umieszcza się układ wlewowy w płaszczyźnie podziału kokili), małą ilość części kokili i rdzeni, płaską powierzchnię podziału kokili, łatwe odprowadzenie gazów z kokili.

Rys. 2 Odlewanie w kokili koła samolotu; zalewanie z boku wlewem szczelinowym: 1 - wlew, 2 - kanał wyrównawczy, 3 - szczelina, 4,5 - nadlewy.

Metal może być doprowadzony do kokili: z dołu, z boku i z góry na rys. 2 pokazano kokilę koła samolotu; metal doprowadzono bocznym wlewem szczelinowym, górną część odlewu zasilają nadlewy; wewnętrzna część odlewu jest odtworzona przez rdzeń piaskowy.

Kokile mogą być dzielone: pionowo, poziomo i w sposób mieszany (zwykle połączenie podziału pionowego z poziomym) lub mogą być niedzielone. Na rys. 3 pokazano kokilę dzieloną pionowo i poziomo.

Rys.3 Kokila dzielona pionowo i poziomo: 1 - przesuwna część kokili, 2 - stała część kokili, 3 - płyta, 4 - kołek, 5 - rękojeść.

Odlewanie pod ciśnieniem

Odlewanie pod ciśnieniem stosuje się przy masowej produkcji niedużych, cienkościennych, dokładnych odlewów ze stopów cynku, aluminium, magnezu, miedzi, ołowiu i cyny. Główne korzyści stosowania odlewów ciśnieniowych są następujące:

• dokładność odlewów - osiągalna dokładność wymiarowa odlewów odpowiada 10 - 13 klasie dokładności wg ISO;

• możność wyeliminowania w większości przypadków obróbki mechanicznej odlewów, a w każdym razie znacznego zmniejszenia jej zakresu;

• możność otrzymywania odlewów o dość skomplikowanym kształcie i cienkich ściankach (np. o grubości 0,7 - 1 mm);

• korzystne własności wytrzymałościowe tworzywa w odlewie;

• szybkość produkcji (wydajność maszyn do odlewania wynosi średnio od 40 do 500 napełnień formy w przeciągu godziny),

• duży uzysk;

• ekonomia wytwarzania przy wielkich seriach.

Na ograniczenie zakresu stosowania odlewów ciśnieniowych wpływa duży koszt formy metalowej; dlatego odlewanie ciśnieniowe jest opłacalne tylko przy ilości odlewów nie mniejszej niż 10000 - 20000 szt. Należy pamiętać, że stosowanie odlewów ciśnieniowych w niektórych przypadkach może być opłacalne już przy stosunkowo niewielkiej ilości sztuk (np. 3000 - 4000 szt.) wtedy mianowicie, gdy dzięki dokładności wymiarowej odlewów staje się zbędna kosztowna obróbka skrawaniem.

W odlewach ciśnieniowych mogą występować drobne porowatości spowodowane utrudnionym odgazowaniem formy, zasysaniem powietrza podczas zalewania formy oraz utrudnionym zasilaniem odlewu ciekłym metalem podczas krzepnięcia.

Istnieją dwa zasadnicze typy maszyn do odlewania pod ciśnieniem: maszyny z gorącą komorą ciśnienia i maszyny z zimną komorą ciśnienia. W maszynach z gorącą komorą ciśnienia ciekły metal z komory stanowiącej część maszyny zostaje wciśnięty do formy odlewniczej pod naciskiem tłoka (rys. 4) lub sprężonego powietrza. Przy pracy na maszynach z zimną komorą ciśnieniową metal w stanie ciastowatym (stopiony poza maszyną) podaje się do komory ciśnieniowej, skąd pod naciskiem tłoka maszyny zostaje wciśnięty do formy (rys. 5). Na maszynach z gorącą komorą ciśnieniową odlewa się stopy o niskiej temperaturze topnienia (stopy cynku, ołowiu, czasem - stopy magnezu) pod ciśnieniem od około 30 do 300 kG/cm². Na maszynach z zimną komorą ciśnieniową odlewa się stopy miedzi i aluminium. Ciśnienie stosowane przy odlewaniu na hydraulicznych maszynach z zimną komorą wynosi od 300 do paru tysięcy kG/cm².

Rys. 4 Schemat maszyny do odlewania pod ciśnieniem z gorącą komorą: 1 - ciekły metal, 2 - tłok, 3 - kanał, 4 - forma ciśnieniowa.

Rys. 5 Schemat maszyny do odlewania pod ciśnieniem z zimną komorą: a) położenie wyjściowe, b) wcisk metalu do formy, c) odsunięcie przesuwnej części formy; 1 - cylinder, 2 - tłok, 3 - wyrzutnik, 4 - przewód do formy, 5 - stała część formy, 7 - pozostałość metalu, 8 - odlew.

Odlewanie odśrodkowe

Odlewanie odśrodkowe ma liczne zalety technologiczne i ekonomiczne, które powodują, i że w wielu przypadkach, szczególnie przy produkcji seryjnej i masowej odlewów w kształcie rur i tulei, jego stosowanie jest najbardziej celowe. Zalety te są następujące:

1. polepszenie (w porównaniu z odlewami z form piaskowych) jakości odlewu: drobnokrystaliczna struktura metalu, brak porowatości, szczelność, lepsze własności mechaniczne;

2. powiększenie uzysku,

3. zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie z produkcji mas formierskich;

4. przyspieszenie produkcji;

5. polepszenie warunków pracy w odlewni;

6. niezbyt kosztowne wyposażenie.

Przy odlewaniu odśrodkowym ciekły metal zalewa się do wirującej formy odlewniczej. Na cząsteczki ciekłego metalu podczas zalewania i krzepnięcia działa siła odśrodkowa wielokrotnie przewyższająca siłę ciężkości zalewanego metalu; w wyniku tego otrzymuje się ścisłą, drobnokrystaliczną strukturę metalu bez porowatości. Powierzchnia zewnętrzna odlewu odśrodkowego zostaje odtworzona przez ściany formy, powierzchnia wewnętrzna kształtuje się pod działaniem siły odśrodkowej oraz siły ciężkości lub też jest odtworzona przez rdzeń.

Forma może wirować dookoła osi poziomej, pionowej, lub pochyłej. Oś obrotu może pokrywać się lub też nie pokrywać z osią odlewu. Formy wirujące o osi poziomej stosuje się przede wszystkim do odlewów o stosunku długości L do średnicy D;
> 1. Formy wirujące dookoła osi pionowej stosuje się do odlewów o
< 1.

Metoda odlewania odśrodkowego umożliwia również otrzymywanie odlewów dwuwarstwowych, tzn. składających się z dwóch warstw różnych stopów, np. żeliwa i brązu, żeliwa szarego i białego itp. Pierwsza warstwa metalu zostaje zalana w formie w zwykły sposób, drugą warstwę metalu zalewa się po krótkiej przerwie potrzebnej na skrzepnięcie pierwszej warstwy metalu. Sposób odlewania dwuwarstwowego, stosowany często przy wytwarzaniu części łożysk, bębnów, ślimacznic, cylindrów itp., pozwala na zaoszczędzenie dużych ilości deficytowych metali. Metoda odlewania odśrodkowego umożliwia jednoczesne odlewanie większej ilości jednakowych przedmiotów.

Rys. 6 Odlewanie odśrodkowe: a) pionowa oś obrotu, b) pozioma oś obrotu

---