POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA

MECHANIKA I BUDOWA MASZYN

TECHNOLOGIA PRZETWARZANIA MATERIAŁÓW

PROJEKTOWANIE WYROBÓW ODLEWNICZYCH

Piotr Łakomy

Prowadzący:

Dr hab. inż. Mieczysław HAJKOWSKI prof nadzw. PP

Poznań, 2011

1. Rodzaj materiału.

Stop Aluminium z Krzemem: ENAC-ALSi9Mg

1. Obliczenie objętości odlewu.

V_{calego walca} = 10541,92cm³

V_{wolnych przestrzeni} = 2536,85cm³

V_odlewu = 10541,92 – 2536,85 = 8005,07cm³

V_odlewu = 8005,07cm³ = 0,008005m³ = 8005070mm³

1. Masa surowego odlewu.

M = V_odlewu× ρ

M −   masa odlewu

M −   objętość odlewu

ρ −   gęstość materiału

M= 0,008005 ×ρ

ρ −   dla stopu aluminium przyjmuję 2700$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

M = 0, 008005m³ × 2700kg/m³ = 21,6kg

M = 21,6kg

1. Obliczenia nadlewu.

   1. Obliczenie liczby nadlewów.

$I_{n} = \ \frac{l_{p}}{7g}$ = $\frac{\pi*339}{7x45} = \frac{3,14*339}{7*45} = 3,48\ \approx 4$

przyjmuję 4 nadlewy

l_p −   średnica podziałowa;

g −   grubość ścianki.

Obliczenia modułu węzła cieplnego.

$$M_{x} = \ \frac{V_{x}}{F_{x}}$$

gdzie:

M_x – moduł węzła cieplnego [cm],

V_x – objętość węzła cieplnego, V_x = 0,008005m³,

F_x – powierzchnia odprowadzania ciepła przez węzeł cieplny,

F_x = 0,2935m²,

M_x = $\frac{V_{x}}{F_{x}} = \ \frac{0,008005}{0,2935}$ = 0,02728m = 2,728cm

1. Obliczenia minimalnego modułu nadlewu.

Minimalny moduł nadlewu oblicza się z następującej zależności:

$M_{\text{N\ min}} = M_{x} \times \ \frac{(1 + \ S_{j}) \times \psi}{k_{w} \times \ k_{\text{go}} \times \ \eta}$

gdzie:

M_Nmin – minimalny moduł nadlewu [mm],

M_x – moduł węzła cieplnego, M_x = 2,728cm,

S_j – skurcz odlewniczy, dla stopu aluminium przyjmuję S_j = 4%,

k_w – współczynnik, k_w = 1,

k_go – współczynnik, k_go = 1,

ψ/η – dla stopu aluminium = 1,1

$M_{\text{N\ min}} = M_{x} \times \ \frac{(1 + \ S_{j}) \times \psi}{k_{w} \times \ k_{\text{go}} \times \ \eta}$ = 2,728 $\frac{\left( 1 + 0,04 \right) \times 1,1}{1 \times 1}$ = 3,120

4. Obliczenia nadlewu.

gdzie:

V_n – objętość nadlewu [mm³],

F_n – powierzchnia odprowadzania ciepła z nadlewu [mm²],

M_Nmin1 – minimalny moduł nadlewu

V_zn – objętość części zasilającej odlewu,

V_o – objętość odlewu lub części odlewu zasilana przez nadlew

S_j – skurcz stopu aluminium, S_j = 4%,

b_n= 32mm

H_n= 38,4mm

1. Obliczenia modułu nadlewu.

Moduł nadlewu oblicza się z poniższej zależności:

Moduł nadlewu oblicza się z poniższej zależności:

gdzie:

V_n1 – objętość nadlewu

F_n1 – powierzchnia odprowadzania ciepła nadlewu,

Moduł nadlewu wynosi:

M_n=7,16 > M_min= 3,120

Obliczenia kanałów wlewowych.

1. Obliczenia wlewu doprowadzającego.

Parametrem charakteryzujący wlew doprowadzający jest jego powierzchnia poprzeczna przekroju obliczana z zależności:

$$\Sigma F_{\text{WD}} = \frac{22,6 \times m}{\rho^{} \times \mu_{t} \times t_{z} \times \sqrt{H_{s}}}$$

gdzie:

m – masa odlewu wraz z układem wlewowym i nadlewami [kg],

ρ’ – gęstość metalu w stanie zalewowym, ρ’ = 6,9g/cm³

μ_t – współczynnik oporu formy, μ_t = 0,42,

t_z – czas zalewania [s],

$t_{z} = s \times \sqrt[3]{\delta \times m}$

gdzie:

s – współczynnik zależny od rodzaju materiału, s = 1,9

δ – średnia grubość ścianki, δ = 30mm,

m – masa odlewu wraz z układem wlewowym i nadlewami, m = 25,9kg

$t_{z} = 1,8\ \times \ \sqrt[3]{\delta \times m}$ = 8,9s

Obliczenie prędkości liniowej podnoszenia się metalu w formie.

$$V = \ \frac{C}{\tau} = \ \frac{9,3}{8,9} = 1,04\ \lbrack\frac{\text{cm}}{s}\rbrack$$

C − wysokość odlewu w położeniu do zalewania w [cm]

τ −   optymalny czas zalewania [s]

H_s – ciśnienie metalostatyczne,

$H_{s} = H_{0} - \frac{P^{2}}{2 \times c}$

gdzie:

H₀ – odległość między górną powierzchnią formy a wlewem doprowadzającym, H₀ = 17,5 cm,

P – odległość między górną powierzchnią odlewu a wlewem doprowadzającym, P = 3,8 cm

C – wysokość odlewu, c = 9,3cm

$H_{s} = 17,5 - \ \frac{{3,8}^{2}}{2 \times 9,3}$ = 16,7cm

Zatem powierzchnia poprzeczna przekroju wlewu doprowadzającego wynosi:

$\Sigma F_{\text{WG}} = \ \frac{22,6 \times m}{\rho^{} \times \mu_{t} \times t_{z} \times \sqrt{H_{s}}}$ = $\frac{22,6 \times 25,9}{6,9 \times 0,42 \times 8,9 \times \sqrt{16,7}} = \ \frac{1518,72}{112,42} = 5,6\text{cm}^{2}$

Przyjmuje wlewy doprowadzające trapezowe o wymiarach:

a=30mm, b=26, h=20mm,

1. Obliczenia wlewu głównego.

Stosunek przekroju poprzecznego wlewu głównego do przekroju poprzecznego wlewu doprowadzającego dla stopu aluminium wyraża się zależnością:

F_WG = 1, 25 × F_WD

gdzie:

F_WG – powierzchnia przekroju poprzecznego wlewu głównego [mm²],

F_WD – powierzchnia przekroju poprzecznego wlewu doprowadzającego, F_WD= 5,6cm²

F_WG = 1, 25 × F_WD = 1, 25 × 5, 6 = 7cm²

Przyjmuję wlew główny okrągły o średnicy d=30mm, d₁=34mm

1. Obliczenia wlewu rozprowadzającego.

Stosunek przekroju poprzecznego wlewu rozprowadzającego do przekroju poprzecznego wlewu doprowadzającego dla stopu aluminium wyraża się zależnością:

F_WR = 1, 2 × F_WD

gdzie:

F_WR – powierzchnia przekroju poprzecznego wlewu rozprowadzającego [mm²],

F_WD – powierzchnia przekroju poprzecznego wlewu

doprowadzającego, F_WD=13,5cm²

F_WR = 1, 2 × F_WD = 1, 2 × 5, 6 = 6, 72cm² / :2

F_WR=3,36cm²

Przyjmuję wlew wy rozprowadzające trapezowe o wymiarach: a=25 mm, b=18 mm, h=28mm

1. Skrzynka formierska.

Dobieram następujące wymiary skrzynki formierskiej wg normy PN-81/H-54111:

Średnica D = 600 mm; Wysokość H = 130mm

1. Obliczenie objętości zbiornika wlewowego.

$A = \ \frac{Q_{C} \times \tau_{1} \times 1000}{\tau \times \gamma}$ = $\frac{2,3 \times 1000 \times 25,9}{8,9 \times 6,9}$ = $\frac{259000}{267} = 970,1\text{cm}^{3}$

A − objętość zbiornika (lejka) wlewowego w [cm³],

Q_c− masa surowego odlewu wraz z układem wlewowym i

zasilającym w [kg],

czas rezerwy metalu w [s],

gęstość ciekłego metalu w [cm²],

τ −  optymalny czas zalewania w [s].

Średnica wlewu głównego przy wlewie rozprowadzającym d poniżej [mm]	D [mm]	D1 [mm]	H [mm]	R [mm]	R1 [mm]	Pojemność zbiornika w cm^3
100	130	110	130	5	20	2516

Dla stopu aluminium dobieram zbiornik wlewowy stożkowy

Struktura odlewu:

Stopy aluminium-krzem tworzą eutektykę o zawartości 11,6% Si, złożoną z kryształów roztworu stałego granicznego a krzemu w aluminium i roztworu stałego granicznego β aluminium w krzemie.

Siluminy praktycznie nie podlegają obróbce cieplnej, a ich własności mechaniczne polepsza się przez specjalne zabiegi w stanie ciekłym, zwane modyfikowaniem. Celem modyfikacji jest z jednej strony rozdrobnienie ziarn, z drugiej - zmiana ich kształtu. Przy zawartości 11,6% Si siluminy krzepną jako stopy eutektyczne, przy czym ich struktura składa się z grubych, iglastych lub pierzastych kryształów roztworu stałego β na tle kryształów roztworu stałego α. Taka gruboziarnista struktura ujemnie wpływa na własności mechaniczne stopu. Przez dodanie w stanie ciekłym pewnej ilości sodu metalicznego lub soli sodu (z których na skutek reakcji wydziela się sód) uzyskuje się dużą liczbę aktywnych zarodków krystalizacji. Jednocześnie wywołuje się jakby przesunięcie punktu eutektycznego w kierunku wyższych zawartości krzemu, z jednoczesnym obniżeniem temperatury eutektycznej do 564°C. Dzięki temu silumin o składzie ściśle eutektycznym zachowuje się podczas krzepnięcia jak stop podeutektyczny i jego struktura składa się z dendrytycznych kryształów roztworu stałego α oraz drobnoziarniste eutektyki, w której kryształy β mają kształt zaokrąglony. W procesie modyfikacji siluminów nadeutektycznych rolę modyfikatora spełnił fosfor, który tworzy z aluminium związek A1P. Związek ten charakteryzuje się dużym pokrewieństwem do krzemu pod względem struktury sieciowej i dzięki temu wytwarza aktywne zarodki krystalizacji. Praktycznie modyfikację przeprowadza się bądź czystym fosforem.W wyniku takiej modyfikacji otrzymuje się strukturę podobną do pierwotnej przed modyfikacją ale kryształy roztworu β są znacznie drobniejsze i bardziej równomiernie rozłożone w eutektyce.

Rys. Fotomikrografia stopu AlSi9: a) bez modyfikacji, b) po modyfikacji