Odlewanie kokilowe. Ogólny opis procesu.

1. Ogólna charakterystyka

a) Pojęcia podstawowe

Odlewaniem kokilowym grawitacyjnym nazywa się proces wykonywania odlewów w formach metalowych (kokilach) — grawitacyjnie, przy ewentualnym zastosowaniu rdzeni metalowych lub piaskowych.

Ze względu na wielokrotne użycie kokili w procesie odlewania stosuje się niekiedy pojecie o szerszym zakresie — odlewanie do form trwałych (kokile od kilkuset odlewów), w odróżnieniu od odlewania do form półtrwałych (kilkadziesiąt odlewów) i odlewania do form jednorazowych (piaskowych). Do form trwałych zalicza się również formy wykonane z materiałów niemetalowych, np. z grafitu.

Przez zastosowanie obniżonego ciśnienia we wnęce formy czy nadanie kokili drgań przy jej wypełnianiu lub w czasie krzepnięcia odlewów można uzyskać takie warianty odlewania kokilowego, jak odlewanie niskociśnieniowe, odlewanie przez zassanie próżniowe i odlewanie do form drgających. Zabiegi te zmierzają do lepszego wypełniania form lub uzyskania korzystnej struktury odlewu.

b) Cechy charakterystyczne

O zastosowaniu odlewania kokilowego decydują takie czynniki, jak: kształt i ciężar odlewu, własności odlewnicze stopu oraz wielkości serii. Odlewy wykonywane w kokilach powinny charakteryzować się:

— dostateczną grubością ścianki,
— łatwą usuwalnością z formy przy ograniczonym jej podziale,
— małą liczbą rdzeni piaskowych,
— brakiem dużych występów (hamujących skurcz), nagłych zmian grubości ścianek oraz dużych węzłów cieplnych.

Zaletami odlewania kokilowego z porównaniu z odlewaniem w formach piaskowych są:

— większa dokładność wymiarowa odlewów,
— mniejsza chropowatość powierzchni, umożliwiająca 2÷3-krotne zmniejszanie naddatków na obróbkę lub nawet na ich unikniecie,
— bardziej drobnoziarnista struktura, a więc polepszenie własności mechanicznych o 15÷30%, zwiększanie wytrzymałości odlewu oraz jego odporności na korozję, erozję i zużycie,
— wzrost wskaźników wydajności na jednego pracownika bezpośrednio produkcyjnego
(2÷6 razy) oraz z1m2powierzchni produkcyjnej (3÷4-kronie),
— zwiększanie uzysku do wartości 75÷98% wskutek zmniejszania układu wlewowego i naddatków obróbkowych,
— wielokrotne zmniejszenie lub wyeliminowanie obiegu masy rdzeniowej i formierskiej oraz wydatne ograniczenie związanego z tym transportu,
— skrócenie czasu obróbki cieplnej

— łatwość zmechanizowania i zautomatyzowania procesu,
— lepsze warunki pracy.

Wadami odlewania kokilowego, ograniczającymi zakres jego zastosowania, są:

— trudności w uzyskiwaniu odlewów cienkościennych
— wskutek dużej szybkości odprowadzania ciepła przez formę,
— konieczność stosowania rdzeni piaskowych przy żebrach zewnętrznych, pogrubieniach i występach,
— znaczne naprężenia cieplne
— wskutek hamowania skurczu w niepodatnej kokili,
— skłonność do zabieleń żeliwa szarego — wskutek większej szybkości krzepnięcia i chłodzenia,
— większa niejednorodność własności w przekroju ścianki odlewu,
— ograniczona trwałość formy i długi czas jej wykonania,
— większa wrażliwość na zmiany parametrów technologicznych procesu.

2. Konstrukcja odlewów kokilowych

Wytyczne konstruowanie odlewów obejmują: analizę konstrukcji odlewu i ewentualnie korektę do warunków odlewania kokilowego oraz określenie usytuowania odlewu w kokili, sposobu jej podziału, naddatków obróbkowych, miejsc doprowadzenia metalu do odlewu, nadlewów i znaków rdzeniowych oraz skurczu odlewniczego.

Ogólne wytyczne w zakresie usytuowania odlewów są następujące:

— rozwinięte powierzchnie płaskie, a szczególnie powierzchnie bazowe i obrabiane, należy usytuować w dolnej części odlewu, pionowo lub ukośnie,
— obrabiane powierzchnie odlewu w czasie zalewania należy usytuować w górnej części kokili,
— należy zapewnić kierunek krzepnięcia od przekrojów cienkich do nadlewów,
— cienkie ściany odlewu należy usytuować w dolnej części kokili,
— należy zapewnić swobodne wypełnienie kokili, unikając przegrzewania poszczególnych jej części oraz przesuwania rdzeni przez strumień ciekłego metalu,
— należy dążyć do uzyskania minimalnej liczby podziałów kokili oraz unikać złożonego podziału po linii krzywej lub łamanej.

3. Konstrukcja kokili i rdzeni

a) Klasyfikacja kokili

W zależności od rodzaju stopu, wielkości odlewu i stopnia jego skomplikowania kokile mogą być proste lub złożone.

Zgodnie z BN-67/4044-82 odlewnicze formy metalowe klasyfikuje się wg następujących kryteriów: stopnia skomplikowania, liczby i sposobu podziału powierzchni formy, sposobu otwierania, sposobu zamykania, sposobu usuwania odlewu, liczby wnęk, podziału materiału formy, sposobu odlewania, sposobu wykonywania odlewów, sposobu doprowadzenia metalu do wnęki formy, sposobu ogrzania formy, sposobu chłodzenia formy i średnio gabarytowego wymiaru.

b) Elementy konstrukcji kokili

Grubość ścianki kokili wpływa na szybkość krzepnięcia i chłodzenia, a przez to na strukturę i własności odlewu. Istnieje wiele wzorów empirycznych do określenia grubości ścianki kokili, jak np. Dubinina, Piertriczenki, Wiejnika itp. W BN-67/4044-49 podano zakres grubości ścianki kokili z zależności od średniej grubości ścianki odlewu.

W celu uniknięcia wyciekania ciekłego metalu podczas wypełniania kokili stosuje się różne sposoby uszczelniania. Ważnym zagadnieniem jest usuwanie z wnęki kokili powietrza i gazów przez stosowanie odpowietrzenia kokil. Dla uzyskania dobrego zwarcia części kokili stosuje się różne sposoby ich wzajemnego zamocowania (kołki centrujące, kołki zamocowujące, występy centrujące).

Do usuwania odlewów z kokili stosuje się różnego typu wypychacze. Średnica wypychacza zależy od siły wypychania, np. 12 do 55 mm odpowiednio dla sił 0,5 do 8 T. Elementy i zespoły form metalowych do odlewania kokilowego, odśrodkowego, ciągłego, półciągłego, (tzw. Krystalizatory), niskociśnieniowego, przez zamrażanie i przez wyciskanie znormalizowano w normach: BN-67/4044-83 – zestawienie, BN-64/4044-01 do BN-67/4044-80-poszczególne elementy, BN-67/4044-81-wymagania techniczne, BN-67/4044-50- chropowatość powierzchni form.

c) Materiały do wyrobu kokil ich trwałość

Do najczęściej spotykanych uszkodzeń kokili, powstających podczas jej eksploatacji, należą: siatka pęknięć na wewnętrznej powierzchni kokili oddziaływanie chemiczne ciekłego metalu na kokilę, przywieranie odlewów do kokili, głębokie pęknięcia, wichrowanie kokil.

Wady te utrudniają lub nawet uniemożliwiają eksploatację kokil i są powodem ich wycofania z produkcji.

Przy odlewaniu żeliwa przyjmuje się przeciętny wskaźnik zużycia kokil około 25 kg na 1 t odlewów.

Podstawowym materiałem stosowanym na kokile jest żeliwo perlityczne lub perlitycznoferrytyczne (5÷10% ferrytu).Z żeliwa stopowego oprócz zawierającego 1% Ni i 2% Cr, względnie 1% Cr, można polecić żeliwo chromowo-molibdenowe (3,2÷3,5% C, 1,8÷2,0% Si, 0,9÷1,1% Mn, do 0,2%P, do 0,1% S, 0,4÷0,9% Cr i 0,60,8% Mo). Kokile staliwne są rzadziej stosowane (np. 0,2÷0,4% C, 0,3÷0,4% Si, 0,5÷0,8% Mn, 0,03÷0,07% P, 0,01÷0,07 S i ewentualnie 0,1% Cr i 0,1% Ni).

W żeliwie jest wymagany drobny grafit płatkowy i możliwie wysoka zawartość węgla związanego.

Części kokil bardziej narażone na obciążenia mechaniczne i cieplne wykonuje się ze stali stopowych (np. 0,4÷0,5%C, 0,8% Si, 0,7% Mn, 13÷15% Cr,13÷15% Ni, 2÷2,7% W, 0,25÷0,4% Mo do 0,03% P i do 0,03% S lub 0,35÷0,45% C, 1,9÷2,6% Si, do 0,7% Mn, 0÷10%Cr, do 0,5% Ni, 0,7÷0,9% Mo, do 0,03% P i do 0,03% S).

Zwiększenie trwałości kokil można uzyskać przez wprowadzenie różnych usprawnień konstrukcyjnych (w odlewie i kokili), technologicznych (np. Doprowadzenie metalu) eksploatacyjnych (np. chłodzenie, stosowanie powłok) itp.

d) Sposoby wykonywania kokil

Spośród różnorodnych sposobów wytwarzania kokil można wymienić:

• odlewanie z wykorzystaniem odlewów jako modeli (w formie piaskowej, w formie piaskowej z jednym lub kilku rdzeniami piaskowymi, w formie składanej z rdzeni, w formie piaskowej z zastosowaniem płyty metalowej - ochładzalnika, w formie wirującej, w formie skorupowej),

• wykonywanie podanych kokil z wkładkami

• napawanie łukiem elektrycznym,

• metalizację natryskową modelu,

• wykonywanie z gipsowych modeli,

• wykonywanie z taśm prasowanych,

• spawanie znormalizowanych elementów,

• obróbkę skrawaniem.

f) Przyrządy do ustawiania i usuwania rdzeni

Urządzenia do ustawiania i usuwania rdzeni mogą mieć napęd mechaniczny, pneumatyczny, hydrauliczny lub elektryczny. Obecnie istnieje tendencja do automatyzacji tej czynności. Ze stosowanych rozwiązań można wymienić mechanizmy: ślimakowe, dźwigowe i krzywkowe.

g) Nagrzewanie i chłodzenie kokil

Kokila przed rozpoczęciem serii odlewów, a niekiedy pomiędzy poszczególnymi odlewami, powinna być podgrzana dla uzyskania przewidzianej procesem technologicznym temperatury. W tym celu stosuje się przeważnie podgrzewanie gazowe lub elektryczne z ewentualną możliwością regulacji automatycznej

Przy kokilach małych stosuje się mniej dokładne sposoby nagrzewania, jak np. wykonanie pierwszego odlewu (wadliwego) w zimnej kokili w celu jej nagrzania, podgrzewanie w suszarni, podgrzewanie palnikiem itp.

Również względy utrzymania żądanej w procesie technologicznym temperatury kokili wymagają często jej chłodzenia.

Dla oceny temperatury odlewu i kokili oraz dla uzyskania impulsu do automatycznej regulacji stosuje się różnego rodzaju termopary umożliwiające pomiar temperatury w dowolnym miejscu odlewu lub kokili. Uwzględnienie odpowiednich poprawek umożliwia określenie temperatury powierzchni pracującej.

4.Parametry odlewania kokilowego

a) Temperatura kokili i odlewanego stopu

Temperatura kokili jest zależna od: rodzaju odlewanego stopu i jego własności technologicznych (lejność, zakres krzepnięcia, skłonność do segregacji), konstrukcji i wielkości odlewu (kształt, grubość ścianek), materiału formy i zdolności do oprowadzenia ciepła.

Temperatura zalewania ciekłego metalu zależy od: jego składu chemicznego, skomplikowania i wielkości odlewu oraz temperatury kokili. Ogólnie, ze względu na szybsze krzepniecie odlewów w kokilach, szczególnie odlewów cienkościennych, temperatura zalewania stopów metali nieżelaznych powinna być o 30÷50°C wyższa niż przy zalewaniu do formy piaskowych.

Temperatura zalewania stopów Cu powinna być wyższa o 50÷70°C od temperatury początku krzepnięcia.

b) Cechy charakterystyczne żeliwnych odlewów kokilowych

Parametry procesu odlewania kokilowego są specjalnie istotne przy odlewaniu żeliwa – ze względu na skłonność zabieleń.

Do z wymiarowania elementów układu wlewnego można posłużyć się nomogramem z którego wyznacza się przekrój wlewu odprowadzającego F𝑑 = F𝑛.Współczynnik korygujący n można wyznaczyć ze wzoru :

𝑛 = 0,00220𝑡 + 0,0009𝑡𝑘 + 0,033𝐶 + 0,02𝑆𝑖 + 0,056𝑃 − 0,016𝑀𝑛 − 0,15𝑆

gdzie: t – temperatura przegrzania metalu, w °C, 𝑡𝑘– temperatura kokili przed odlewaniem, w °C, C, Si, P,

Mn, S – zawartość składników stopowych w %.

Powierzchnie przekroju belki wlewowej F𝑏 i wlewu głównego F𝑔 oblicza się ze stosunków F𝑑: F𝑏

: F𝑔 = 1: 1,15: 1,25

Czas zalewania oblicza się ze wzoru

𝜏 = 𝑘 $\sqrt[3]{\text{δG}}$

gdzie k=3 – przy doprowadzeniu metalu do dołu. k=3,4 – z boku, k=3,9 – z góry, τ – czas w s, d –zredukowana grubość ścianki w cm, G – ciężar w kg.

Czas zalewania należy uzgodnić z prędkością wypełniania kokili. Dla odlewów o grubości ścianki do 10 mm prędkość wznoszenia się metalu w kokili powinna być nie mniejsza niż 20 mm/s, dla ścianek 10÷30 mm – ≥ 15 mm/s oraz dla ścianek ponad 30 mm ≥ 10 mm/s.

Przy odlewaniu żeliwa sferoidalnego temperatura zalewania powinna wynosić 1270 ÷1320°C, a szybkości wznoszenia metalu w kokili 20÷45 mm/s. Korzystne jest syfonowe doprowadzenie metalu. Kokile wykonuje się przeważnie z stali węglowej normalnej, o zawartości 0,15 lub 0,20% C; maja one twardość 7÷10 tys. napełnień, przy ciężarze odlewu do 25 kg. Woda jest doprowadzana do kokili z góry. Kokila powinna mieć temperaturę 150÷250°C, a woda woda wypływająca 60÷80°C. Odlewy są wyjmowane z kokili przy 950°C.

d) Odlewanie stopów aluminium

Temperatura zalewania ciekłego metalu w kokili zawiera się w granicach 680÷700 do 650÷870°C; dla stopów eutektycznych zaleca się temperaturę 680÷800°C. Czas pozostawienia odlewów w kokili wynosi: 6÷10 s dla odlewów małych (5÷10 g), do kilka minut dla odlewów o ciężarze 5÷8 kg i większym.

5. Urządzenia do odlewania kokilowego

Mechanizacja odlewania kokilowego jest jest prostsza niż odlewania w formach piaskowych ze względu na unikniecie wielu czynności. Przeważnie mechanizuje się następujące czynności: rozlewanie i zwieranie kokili, wstawianie i usuwanie metolowych rdzeni, usuwanie odlewu, nanoszenie pokryć, chłodzenie i nagrzewanie kokili oraz zalewanie metalem.

a) Podział i klasyfikacja kokilarek

Kokilarki, jako urządzenia do realizacji złożonej lub, kompleksowej mechanizacji procesu odlewania kokilowego, dzielą się na: pojedyncze, karuzelowe i przenośnikowe. Kokilarki pojedyncze mogą być również urządzeniami przemysłowymi dwustronnie działającymi (pojedyncze z wykorzystaniem niektórych wspólnych mechanizmów).Kokilarki karuzelowe umożliwiają stopniowe realizowanie cyklu procesu technologicznego.

Kokilarki przenośnikowe można sklasyfikować w zależności od ich konstrukcji (tor ruchu, rodzaj napęd, rodzaj przenośnika) lub technologi ( podział kokili, rodzaj zalewania, sposób chłodzenia). Rozróżnia się kokilarki z przenośnikiem wózkowym (przeważnie poziome).

b) System automatycznego sterowania i regulacji

Mechanizmy automatycznego sterowania stosowane w budowie kokilarek, zależnie od ich konstrukcji, dzielą się na: mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne, elektromagnetyczne i akustyczne. Regulacji mogą podlegać różne parametr, jak np.: temperatura, siła, prędkość itp. W kokilarkach stosuje się najczęściej osprzęt elektryczny i elektroniczny. Do zapewnienia bezpieczeństwa stosuje aparaturę zabezpieczającą i blokującą.

Sterowanie mechaniczne opiera się na rozrządzie krzywkowym lub układach kopiujących, łatwiejszych w wykorzystaniu do programowania. Również stosunkowo jest stosowane sterowanie pneumatyczne, z układem rozdzielaczy i zaworów; obecnie jest to eliminowane ze względu na niedoskonałość sterowania, związane ze sprężaniem powietrza. Bardziej dokładne jest sterowanie hydrauliczne. Przy sterowaniu elektrycznym istnieje łatwość kojarzenia sterowania e regulacją, ale w warunkach odlewniczych tego typu element sterowania mogą być zawodne.

6. 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,

- wybicie rdzeni piaskowych.