Topienie - zespół zabiegów mających na celu zmianę stanu skupienia metalu ze stanu stałego w ciekły.
Cel - tworzenie stopów lub przetapianie gąsek, zmienia się struktura i jego własności.
Proces topienia
Najczęściej realizowany przez doprowadzanie ciepła
Metody pirometalurgiczne - spalanie paliwa (stałe, ciekłe, gazowe)
Metody elektrotermiczne -łuk elektryczny, grzanie indukcyjne, grzanie oporowe, grzanie plazmowe,grzanie strumieniem elektronów. Ciepło rozporządzane Qc(ciepło akumulacyjne QA. ciepło użyteczne QU, ciepło strat Qstr. Ciepło użyteczne - QU=QA+QP+QR QA=MW C Δt QP=ΣM CP QR - ciepło reakcji chemicznych zachodzących w metalu lub stopie. Do stopienia kilograma wsadu należy doprowadzić energię cieplną w ilości QA=QU+QSTR.
Topienie stopów odlewniczych- Sprawność cieplna pieców do wytapiania żeliwa
Piec |
Podgrzanie + Topnienie |
Przegrzanie |
Żeliwiak |
60% |
7% |
Piec indukcyjny |
60% |
60% |
Piec łukowy |
75% |
25% |
Żeliwiak - Surowce do otrzymywania żeliwa - surówka odlewnicza, złom handlowy(żeliwny i stalowy), złom stalowy i żeliwny obiegowy. Wsad - wsad metalowy, koks (12-14 kg/100kg wsadu metalowego),topnik ( kamień wapienny), surówka odlewnicza, złom handlowy (żeliwny), złom obiegowy (żeliwny i stalowy). Procesy - spalanie koksu - C+0,5O2=CO C+O2=CO2 CO+0,5O2=CO2 - wsad metalowy - rozpad kamienia wapiennego - CaCO3=CaO+CO2 - powierzchniowe utlenianie wsadu - Fe+CO2=FeO+CO Si+FeO=SiO2+Fe Mn+FeO=MnO+Fe - powierzchniowe nasiarczanie wsadu - SO2+3Fe=FeS+2FeO SO2+10FeO=FeS+3Fe3O4 - strefa topienia (upłynnianie metalu) - strefa przegrzania (utlenianie) - Fe+0,5O2=FeO Si+O2=SiO2 Mn+0,5O2=MnO ( tworzy się żużel, metal nawęglą się, rośnie zawartość siarki) - kotlina żeliwniaka (redukcja tlenków) FeO/MnO+C=Fe/Mn+CO 2FeO+Si=2Fe+SiO2
Piec indukcyjny - bezrdzeniowe (sieciowej częstotliwości, średniej częstotliwości, wysokiej częst.), rdzeniowe (z kanałem otwartym lub zamknietym). Tygle - kwaśne(kwarcyt mielony), zasadowe (magnezyt mielony).
Schemat wytopu - Ładowanie wsadu -Roztapianie - Utlenianie/Odwęglanie - Odtlenianie (rafinacja) - Spust
Piec elektryczny łukowy - Schemat wytopu - Wsad ( złom stalowy + nawęglacz + topnik ) - Roztapianie wsadu - Utlenianie wsadu - Odtlenianie - Nawęglanie - Odsiarczanie [żużel(CaO:CaF2=4:1] - Spust
Gatunki żeliwa - żeliwo sferoidalne - efekt sferoidyzacji grafitu uzyskujemy przez wprowadzanie do metalu niewielkiej ilości Mg lub Ce. Zaleta - duża wartość Rm (370-900Mpa). Żeliwo ADI - uzyskiwane na drodze dwustopniowej obróbki cieplnej - WARIANT I - hartowanie I st.950°C/2h, odpuszczanie II st 300°C/2h - właściwości Rm=1000MPa R0,2 = 730 A5=6, WARIANT II - hartowanie 900°C/2h, odpuszczanie 340°C/2h - właściwości Rm=1200MPa R0,2 = 950 A5=6-7. Schemat procesu - Wytapianie żeliwa wyjściowego - Zabiegi (sferoidyzacji Mg, modyfikacji Si) - Wykonanie odlewów - Obróbka cieplna odlewów - Gotowy odlew. Żeliwo z grafitem wermikularnym - uzyskiwane w przypadku nieudanego zabiegu otrzymywania żeliwa ADI, ma dużą wytrzymałość na rozciąganie Rm. Żeliwo ciągliwe - uzyskujemy przez wyżarzanie odlewów z żeliwa białego. Celem jest doprowadzenie do rozpadu Fe3C=3Fe+C w postaci wolnej. W zależności od atmosfery panującej w piecu (utleniająca) uzyskujemy: żeliwo ciągliwe białe lub czarne. Żeliwo ciągliwe białe - W35-04, Żeliwo ciągliwe czarne B30-06, żeliwo perlityczne P45-06.
Wytapianie staliwa - proces stalowniczy składa się z 3 etapów - I Ładowanie pieca - roztapianie - dobór ilości węgla wsadu CW=CST+(0,4-0,6%) CW- ilość węgla wsadu CST- ilość węgla po roztopieniu - II Utlenianie wsadu (ujednorodnienie składu chemicznego, rafinacja, ujednorodnienie temperatury,odgazowanie metalu i odfosforyzowanie) - III Rafinacja - odtlenianie (odtlenia się metal, koryguje się skład chemiczny) - IV Końcowe odlewanie metalu.
Przetop złomu wysokostopowego - Wsad (złom stopowy, stal węglowa, żelazostopy 2%, wapno palne ) - Roztapianie - Krótkotrwałe świeżenie - Odtlenianie żużla - Rafinacja(wytwarzanie białego żużla) I - wytworzenie białego żużla, II - 15 min przed spustem, III - krótko przed spustem ) - SPUST.
Tytan - mała gęstość, duża wytrzymałość właściwa w zakresie temp 300-600 i odporność na korozje, temperatura topnienia 1668, temperatura wrzenia 3260, słabe przewodnictwo cieplne. Stopy jednofazoweα - mała plastryczność, duża wytrzymałość, mała skłonność pochłaniania gazów. Stopy jednofazowe β - b.dobra wytrzymałoś, mała plastyczność, duża skłonność pochłaniania gazów. Stopy dwufazoweα+β - wysoka wytrzymałość, dobra plastyczność. Jest odporny na : wodę morską, kwasy organiczne i nieorganiczne, mocne zasady, chlor i chlorki, siarka i jej związki, niektóre sole i elektrolity. Technologia topienia tytanu - garnisażowe, plazmowe, wiązką elektronów, próżniowe.
Aluminium - mała gęstość, dobra wytrzymałość, jest odporne na korozje atmosferyczną, nietoksyczne, dobre przewodnictwo cieplne, dobra obrabialność, dobre właściwości odlewnicze. Podział stopów odlewniczych - I Al.-Si, II Al.-Si-Cu, III Al.-Cu, IV Al.-Mg, V Al.- wiele składników. Al.-Si 6-13%Si,podeutektyczne i eutektyczne - niewielki skurcz odlewniczy liniowy, dobra lejność i mała skłonność do pęknięć ,14-26% Si nadeutektyczne - dobra żarowytrzymałość, mały wsp. Rozszerzalności cieplnej. Zanieczyszczenia - żelazo (tworzy grboiglaste fazy obniżające plastyczność stopów, tlen i wodór. Modyfikacja - cel - rozdrobnienie fazy β wchodzącej w skład eutektyki, rozdrobnienie makro ziarna, rozdrobnienie pierwotnych faz, zmiana wydzieleń kruchych faz. Stopy nadeutektyczne modyfikuje się poprzez wprowadzenie fosforu. Al.-Si-Cu - mały skurcz liniowy, wysoka wytrzymałość ci twardość, dobra lejność, bardziej skłonne do tworzenia porowatości niż siluminy, zachowanie stabilności wymiarów podczas eksploatacji. Zastosowanie - korpusy przyrządów, tłoki silników spalinowych, części silników samochodowych chłodzonych powietrzem.Struktura - kryształki roztworu stałego (faza α), podwójna eutektyka (α+β). Al-Mg - mała gęstość, dobre właściwości wytrzymałościowe b. Dobra odporność na korozje. Przeznaczenie - odlewy pracujące w warunkach wibracyjnych obciążeń. Schemat topienia stopów aluminium - Ładowanie wsadu metalowego i topników ochronnych - Roztapianie - Ściągnięcie żużla, pomiar temperatur - Rafinacja ( odtlenianie, odgazowanie) - Modyfikacja -Spust. Topniki ochronne (chlorki i fluorki, sód, potas, glin). Rafinacja - obróbka ciepłego metalu żużlem, filtrowanie. Odgazowanie - rafinacja fizyczna lub gazowa, dodanie topników musujących. Odlewy ze stopów aluminium, odlewane są w 20% w formie piaskowej, a w 80% odlewanie kokilowe i ciśnieniowe. Aby ochronić przed zapaleniem do mas dodaje się siarkę, kwas borowy, amoniak, kwas fluorowodorowy i techniczny mocznik.
Miedź - Mosiądze (M) MM - Mn(1-3%), Mn-Pb-Fe, Mn-Fe, Mn-Pb, MO - Pb, MK - Si.
Mosiądze zwykłe i mosiądze specjalne. TOMBAK - stop Cu-Zn(5-20%), SPIŻ - stop Cu-Sn-Zn-Pb(85%+5%+5%+5%). Podział mosiądzów ze wzgl. Na strukturę: jednofazowe (α lub β), dwufazowe (α+β). Wpływ dodatków stopowych - Pb(1-2) poprawia obrabialność, obniża temperaturę topnienia, poprawia lejność i własności ślizgowe Sn poprawia odporność na korozję, Al. Pozwala na uzyskiwanie stopów jednofazowych, Ni podwyższa wytrzymałość w podwyższonych temp. I odporność na korozję. Fe (0,6-1,5) działa modyfikująco na stopy rozdrabniając strukturę. Si (1,15-1,5)poprawia lejność. Mn poprawia odporność na korozję. Brązy B - brąz cynowy, B-Sn-P, B-Sn-Zn, B-Sn-Pb, B-Sn-Zn-Pb, BA - brązy aluminiowe, BK - brązy krzemowe. Dodatki stopowe - Sn - zwiększa własności wytrzymałościowe i ślizgowe. P - podwyższa odporność na korozję. Zn - wywołuje zmiany równowagowe stopu. Pb - polepsza skrawalność. Brązy aluminiowe (skłonność do absorbcji gazu, duży skurcz, skłonność do tworzenia mikroporowatości. Brązy krzemowe ( wzrost Rm i HB, dobra lejność, zdolność do odwzorowania kształtu). Brązy ołowiowe ( brak rozpuszczalości Pb w stanie stałym, skłonność do segregacji grawitacyjnej, duża skłonność do rozpuszczania gazów).
Materiały żużlotwórcze ( topniki ).1.Topniki utleniające ( kupryt, ruda manganowa, soda bezwodna), 2. Topniki obojętne( szkło tłuczone, piasek kwarcowy ), 3. Topniki redukcyjne ( węgiel drzewny ). Topienie brązów - Brąz - Roztapianie,atmosfera - obojętna/utleniajaca - pokrycie żużlowe/pokrycie żużlowe-wsad czysty/wsad zanieczyszczony- przegrzanie do temperatury spustu - Rafinacja gazowa - Odtlenianie - Wprowadzanie dodatków stopowych - SPUST.
Stopy Cynku - surowce : cynk rektyfikowany, elektrolityczny, rafinowany, hutniczy. Najpowszechniejsze stopy to ZNALE Zn-Al. I Zn-Al.-Cu. Właściwości : dobra wytrzymałość ograniczona temp. Pracy do 70C, odporne na korozje, dobre własności odlewnicze. Technologia topienia - najlepsze są piece indukcyjne, elektryczne i oporowe - temperatura przegrzania max 500C, temperatura odlewania : form piaskowych i kokilowa 420 -480C, odlewanie ciśnieniowe 400 - 450C. Zalecany topnik ochronny i rafinujący - węgiel drzewny(ochronny),chlorek cynku + chlorek amonu(rafinujący). Schemat wytopu - Ładowanie wsadu(do 50% złomu) - Roztapianie (topnik ochronny ) - Przegrzanie Ciekłego metalu - Rafinacja - Spust.
Stopy magnezu - surowiec: magnez otrzymywany metodą elektrolityczną z MgCl2 - czystość 99,9%, magnez otrzymywany metodą redukcji termicznej MgO przy pomocy Si - czystość 99,7%. Stopy magnezu - Mg-Al. Tzw. „ELEKTRONY” oznaczony GA, Stopy Mg-(Zn,Mn,Zr,metale ziem rzadkich) oznaczenie: GZ,GR. Zakres zastosowania: szczelne odlewy korpusów pomp i armatury, odlewy do przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego i okrętowego, odlewy aparaturowe, sprężarki i skrzynie przekładnoioe. Technologia Topienia ogólne wytyczne - 1. Tygle z blachy stalowej lub odane ze staliwa, 2. przed procesem topienia musi być oczyszczony tygiel i pokryty pokryciem ochronnym, 3. Nie może być rdzy na powierzchni bo może wybuchnąć, 4. Nawet niewielka ilość berylu zabvezpiecza prze dwybuchem. Rafinacja gazowa chemicznaw celu usunięcia wodoru ( przedmuchiwanie chlorem, topniki musujące). Schemat wytopu - Ładowanie wsadu wraz z topnikiem ochronnym - Roztapianie( uzupełnianie topnika ) - Przegrzanie(700-780C, usunięcie topnika z powierzchni roztopionego metalu ) - Rafinacja topnikiem rafinującym - Rafinacja gazowa - Modyfikacja struktury - SPUST.
Badanie własności stopów odlewniczych - I Badanie lejności - Lejność jest to zdolność ciekłego metalu do płynięcia przez kanały układu wlewowego formy odlewniczej, wypełniania jej i odtwarzania jej kształtu. Czynniki wpływajace na lejność - rodzaj stopu i jego skład chemiczny( zakres T1-Ts, ciepło właściwe, przewodność cieplna, pojemność ciepla, gęstość, zawartość gazów, napięcie powierzchniowe, ilość wtrąceń niemetalicznych, obecność błonek tlenkowych na powierzchni stopu), rodzaj i materiał formy odlewniczej (budowa układu wlewowego, właściwości materiału formy), Parametry odlewania( temperatrura odlewania, stopień przegrzania metalu, szybkość i czas zalewania. Próba spirali- mamy forme w kształcie spirali i miarą lejności jest długość wypełnienia spirali i próba harfy - szereg pretów o różnych średnicach na jednej belce rozprowadzającej - ocenia się na ile pręty zostały wypełnione. II Badanie skurczu odlewniczego - skurcz - zmniejszenie objetości metalu w procesie krzepnięcia. Skurcz przegrzania, skurcz krzepnięcia, skurcz w sytanie stałym. Jama skurczowa - powstaje w wyniku skurczu przegrzamnia i krzepnięcia - są jamy skurczowe skupione i rozproszone. Próba kostkowa - specjalny odlew sześcienny, zalewamy go przez specjalny układ sitkowy i dokonujemy obliczeń. V1 - objętość pełnej kodstki ( jama wypełniona parafiną ) V2-objętość kostki po wytopieniu parafiny, V3 - obj. Obu połówek kostki po roztopieniu. Objętość jamy zewnętrznej VJZ=(V1-V2)/V1*100%. Objętość jamy wewnętrznej VJW=(V2-V3)/V1*100%. Objętość jamy całkowitej VJC=VJZ+VJW. III Badanie naprężeń - rodzaje - naprężenia cieplne-nierównomierne prędkości stygnięcia i kurczenia się elementów odlewów o różnych przkrojach, naprężenia fazowe - związane z przebudową struktury odlewu, naprężenia skurczowe - powstają przy mechanicznym hamowaniu skurczu. IV Badanie składu chemicznego - Próba klinowa - wykonujemy odlew belki i klina, w zależności od zawartości węgla i siarki następuje wybielenie lub zaczernienie powierzchni klina, porównujemy kolor ze wzorca. Próba ta pozwala na określenie zawartości C, Si, Mn, P i S oraz ocenę stopnia nasycenia eutektycznego. Im większy stopień nasycenia eutektycznego, tym mniejszy stopień zabielenia klina. V Sprawdzanie zawartości gazów O,N,H - Próba dla staliwa - ciekłą próbkę metalu wlewamy do kokili i obserwujemy proces krzepnięcia, jeżeli wyjdzie lekkie zgłębienie na powierzchni to proces jest dobry, jeżeli na powierzchni zaczynają się wydzielać pęcherzyki to proces jest zły- niewłaściwe odtlenienie metalu.
Obróbka pozapiecowa staliwa - celem jest podwyższenie jakości stop i obniżenie zużycia energii. Wykonuje się odtlenienie staliwa, odwęglanie staliwa, odgazowanie, odfosforowanie, odsiarczanie i wprowadzanie dodatków modyfikujacych. Jest obróbka przy ciśnieniu atmosferycznym i ciśnieniu obniżonym. Obróbka staliwa przy ciśnieniu normalnym - A)Odtlenianie osadowe, B)argonowanie stali - ujednorodnienie składu chemicznego i temp, zmniejszenie zawartości gazów, C)Obróbka żużlem syntetycznym podczas argonowania, D) Wdmuchiwanie sproszkowanych materiałów, E) Proces AOD. Obróbka pod obniżonym ciśnieniem - A)Argonowanie staliwa(obniżenie zawartości siarki i koncentracji N), B) Odgazowanie recyrkulacyjne (szybkie odtlenienie staliwa węglem, dobra homogenizacja ciekłego metalu, odgazowanie), C)Odgazowanie recyrkulacyjne z dmuchem tlenem (zalety B), D)Odgazowanie w kadzi (odgazowanie, odwęglenie, odsiarczenie, odtlenienie), E) Proces VOD ,F)Obróbka ciekłej stali w piecu kadziowym (zwiększenie wydajności kadziowni, możliwość spustu metalu o niższej temperaturze, niska koncentracja tlenu, zmniejszenie zawartości wodoru, mozliwość modyfikacji, G)Grzanie chemiczne, H)Odsiarczanie ciekłego metalu, I )Odsiarczanie stali