Metoda Shawa

Nazwa metody pochodzi od nazwiska twórców Noela i Clifforda Shawa (patent angielski z 1951r). Stosuje się w tej metodzie masę ciekła dwufazowa(ciało stałe i ciecz) a osnową masy mogą być materiały ogniotrwałe zawierające następujące związki: Mgo, ZrO2, CaO,Al2O3, SiO2(kwarc topiony). Do najczęściej stosowanych materiałów należy mulit. Przy wyborze osnowy należy uwzględnić: czystość, stabilność cieplna, współczynnik rozszerzalności cieplnej, współczynnik przewodzenia ciepła, ciepło właściwe skład ziarnowy( a szczególnie wymiary ziaren) oraz cenę materiału. Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej należy uwzględnić przy ustalaniu naddatku na skurcz. Współczynnik przewodzenia ciepła i ciepło właściwe mają wpływ na przebieg krzepnięcia i stygnięcia odlewu przy czym w formie zdolność do odprowadzania ciepła zależy nie tylko od składu chemicznego materiału lecz także od jego składu ziarnowego. Skład ziarnowy decyduje o gładkości powierzchni odlewu jednak zastosowanie zbyt drobnoziarnistej osnowy powoduje zmniejszenie przepuszczalności utwardzonej masy i zwiększa zużycie spoiwa. Maksymalna wytrzymałość uzyskuje się w przypadku stosowania osnowy kilkufrakcyjnej. Wtedy ziarna drobne lokują się w przestrzeniach pomiędzy ziarnami grubszymi, zwiększając powierzchnię styku. Wytrzymałość na rozciąganie w gotowej formie wynosi około 0,1MPa.

W kraju jako osnowę stosuje się przeważnie mulit o średniej wielkości ziarna dl=0,06-0,08mm. Przykładowy skład ziarnowy mulitu kształtuje się następująco 54-64% ziarna o wielkości do 0,056mm, 36-43% ziarna o wielkości 0,056-0,16m i 3-10% ziarna o wielkości 0,16-0,2mm. Do większych odlewów stosuje się niekiedy cyrkon a do odlewów z żeliwa i metali nieżelaznych drobnoziarnisty materiał wtórny otrzymywany ze złomu kształtek korundowo-cyrkonowych.

Spoiwem jest zhydrolizowany krzemian etylu. Hydroliza może odbywać się w środowisku kwaśnym jak i zasadowym. Jednak w tym ostatnim przypadku prawie nie można kierować procesem żelowania krzemianu etylu. Dlatego też w przemyśle stosuje się hydrolizę w środowisku kwaśnym w obecności HCl. Można także zastosować kwas siarkowy i fosforowy. Proces żelowania krzemianu etylu można przedstawić następująco

1. przy suszeniu powietrznym

3H₄SiO₄-> H₂SiO₅ +H₂SiO₃+H₂O

2. przy wydzieleniu żelu Sio₂

3H₄SiO₄->3SiO₂(żel)+6H₂O

Wydzielające się produkty stanowią czynnik wiążący ziarna osnowy. Głównym sposobem regulacji procesu żelowania jest kontrola pH. Roztwory zhydrolizowanego krzemianu etylu są stabilne przy pH wynoszącym 1,5-3pH oraz powyżej 7pH. Jednak stabilność roztworu szybko zmniejsza się przy pH wynoszącym 5-7pH. Dlatego dodatek zasady do zhydrolizowanego krzemianu etylu przeobraża zol w żel. Dla przyspieszenia procesu żelowania stosuje się dodatek: amoniaku, soli amonowych. Przygotowana ciekła masa dwufazowa o konsystencji gęstego szlamu wlewa się do skrzynki dookoła modelu i w krótkim czasie (od kilkunastu sekund do kilku minut) zależnym głównie od ilości i jakości dodatku żelującego następuje zestalania się masy. Po zakończeniu reakcji masa staje się tworzywem podobnym do twardej gumy. Jest ona dosyć plastyczna i wytrzymała co umożliwia wykonanie wszystkich operacji związanych z wyjmowaniem modeli oraz obracaniem przenoszeniem i ustawianiem formy. Stosuje się głównie modele wykonane ze stopów Al i grafitu. Przed wlaniem masy do modelu model pokrywa się oddzielaczem np. 10% roztworem parafiny w benzynie.

Formy w metodzie Shawa można wykonywać jako

- skorupowe do drobnych odlewów

- blokowe jednolite (bezskrzynkowe) do większych odlewów

- Blokowe dwuwarstwowe do średnich i dużych odlewów

Schemat wykonania formy blokowej dwuwarstwowej przedstawiono na rysunku10.7. Najpierw formuje się część formy zbudowanej z masy wypełniającej używając do tego modelu10.7a o odpowiednio powiększonych wymiarach ( o grubości warstwy masy przed modelowej). Jako masę wypełniającą stosuje się zwykle masę ze szkłem wodnym. Po zaformowaniu i utwardzeniu masy model o powiększonych wymiarach wyjmuje się ustawia formę na właściwej płycie pod modelowej i zapełnia przestrzeń miedzy masa wypełniającą a modelem właściwym 10.7b ciekła masą przy modelowa z krzemianem etylu. Po zawiązaniu masy przy modelowej wyjmuje się odwraca formę i wypala alkohol 10.7 c i d. Można także obejść się bez modelu o powiększonych wymiarach. w tym przypadku model właściwy pokrywa się cienką warstwa masy z olejem lub ze szkłem wodnym i stosuje się go jako model o powiększonych wymiarach. Po zaformowaniu masy wypełniającej zastępuje się masę z olejem lub ze szkłem wodnym ciekłą masą z krzemianem etylu. Po wyjęciu modelu formę wypala się ( przez podpalenie wydzielającego się alkoholu) w wyniku czego zostaje usunięta część wody z Si(OH)₄ zaś materiał traci swoją elastyczność uzyskując większą wytrzymałość. Podczas wypalania alkoholu powstaje w masie siatka mikropęknięć w które nie wnika ciekły stop odlewniczy natomiast polepszają one odporność masy na wstrząsy cieplne gdyż ziarna osnowy mogą rozszerzać się bez wyraźnych zmian wymiarów formy co ma istotne znaczenie dla dokładności wymiarowej odlewów. Siatka mikropęknięć powstaje tylko wtedy gdy wypalanie stosuję się zaraz po wyjęciu modelu. Jeśli formę przetrzymamy na dłuższy czas na powietrzu siatka mikropęknięć nie powstanie. Jakość powierzchni odlewów zależy od wielkości ziarn osnowy temperatury wlewanego stopu i temperatury formy a także od odporności masy na działanie ciekłego stopu odlewniczego. Jakość powierzchni pogarsza się przy wyższej temp odlewania i stosowaniu podgrzanych form. W formach wykonanych metoda Shawa studzenie metalu jest stosunkowo powolne co może stać się przyczyna powstania gruboziarnistej struktury odlewu. Dlatego też stosuje się modyfikatory w celu rozdrobnienia struktury. Wolne studzenie może być przyczyna odwęglania i utleniania powierzchniowej warstewki odlewów staliwnych. Można temu zapobiec stosując na powierzchni urotropinę. Odwęglania nie da się całkowicie uniknąć gdyż tlen jest zawsze obecny w SiO₂ znajdującym się w spoiwie. W formach wykonywanych metoda Shawa można produkować odlewy o masie od poniżej 1kg do kilku ton ze staliwa węglowego i stopowego, żeliwa, stopów miedzi, stopów metali lekkich oraz tzw. nadstopów. Tą metodą wykonuje się matryce kuzienne formy dla przemysłu tworzyw sztucznych i szklarskich, odlewy dla przemysłu chemicznego ze staliwa kwaso i ługoodpornego. Można także obejść sie bez modelu o powiększonych wymiarach. w tym przypadku model właściwy pokrywa się cienką warstwa masy z olejem lub ze szkłem wodnym i stosuje się go jako model o powiekszonych wymiarach.

Przykładowe charakterystyczne reguly technologiczności konstrukcji odlewu:

• Zewnetrzna i wewnetrzna czesc odlewu powinny kształt zespolu prawidłowych figur geometrycznych.

• Stosowac konstrukcje otwarte w celu ułatwienia techniki formowania

• Wprpwadzic zmiany konstrukcyjne umożliwiające minimalizowanie rdzeni w formie

• Zmienic kształt otworow w celu zastapienia rdzeni wyciąganych w rocznych kierunkach, zespolem rdzeni o wspolnym kierunku wyciągania

• Unikac konstruowania w sciankach zewnętrznych podciec równoległych do przewidywanej płaszczyzny podzialu

• Przedłużać zagrubienia i zebra az do przewidywanej płaszczyzny podzialu formy lub przenieść je na sciany zewnętrzne

• Kształt odlewu powinien umożliwiać zastosowanie tylko jednej płaszczyzny podzialu formy i modelu

• Kształt odlewu powinien umożliwiać zastosowanie plaskiej powierzchni podzialu

• Kształt odlewu powinien odtwarzanie wymiarow odlewu z jednej czesci formy

• Uwzgeldnic potrzebe zastosowania pochylen odlewniczych powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych ze względu na polozenie płaszczyzny podzialu i kierunku usuwania modelu z formy piaskowej lub z formy metalowej

• Dazyc do zapewnienia dwustronnego podparcia rdzenia

• Unikac obciagniec masy modelowej na skutek projektowania dużych powierzchni plaskich

• Pogrubic zbyt cienkie ścianki odlewu w celu unikniecia niedolewu

• Wprowadzic pochylenie dużych plaskich ścian odlewu

• Unikac w konstrukcji polaczen typu X zastępując polaczenia typu Z

• W polaczeniu typu T zaprojektowac zagłębienia w miejsca laczenia ścian

• Wewnętrzne ścianki odlewu powinny być o 20% cieńsze niż zewnętrzne z uwagi na utrudnione odprowadzanie z nich ciepla

• Przesunąć węzły cieplne w kierunku nadlewow

• Projektowac pogrubienia zasilające w przypadku wezla cieplnego oddzielonego od przewidywanego zasilacza przewężeniem

• Odlew projektowac tak aby węzły cieplne z nadlewami zostaly wczesniej rozdzielone przez cieńsze i szybciej stygnące ścianki lezace miedzy nimi

• Stosowac sciany wygięte lub pochyle w celu zmniejszenia naprężeń cieplnych

• Przeprkoje odlewu narazone na pęknięcia o odkształcenia usztywniac za pomoca zeber wzmacniających i łączników

• Zastosowac stopniowe przejscie od grubszych do cieńszych przekrojow wprowadzic zaokrąglenia

• Stosowac wygięte ramiona i belki zamiast prostych, co pozwoli zmniejszyc naprężenia odlewnicze

• Należy rozważyć zmiane rozmieszczenia otworow lub zmiane kształtu odlewu w celu utechnologicznienia konstrukcji ze względu na łatwość oczyszczania

• Uwzględnić latwe usuwanie zalewek powstających na powierzchni podzialu form i stykach rdzeni

Formy odlewnicze dzieli się na formy wielokrotnego i jednokrotnego użycia. Formy wielokrotnego użycia wykonuje się z metali odpornych na wysoką temperaturę odlewanego, roztopionego metalu. Noszą one nazwę formy metalowe - kokili. Formy jednorazowego użycia wykonuje się przede wszystkim z mas formierskich. Podstawowymi składnikami mas formierskich są: piasek kwarcowy, glina i woda. Piasek kwarcowy (SiO2) charakteryzuje się dużą twardością i odpornością na wysokie temperatury. Glina używana do mas formierskich jest ogniotrwała, ponieważ głównym jej składnikiem jest kaolin.

Mieszanina głównych i pomocniczych materiałów formierskich, odpowiednio dobrana ilościowo i jakościowo, tworzy masę formierską. Masy formierskie powinny odznaczać się następującymi własnościami: dobrą plastycznością, spoistością cząstek masy formierskiej, odpornością na wysoką temperaturę płynnego metalu, dobrą przepuszczalnością gazów i par powstających w czasie odlewania, , łatwym oddzielaniem się od ścian gotowego odlewu w czasie wybijania go z formy i oczyszczania.

Rdzenie wykonuje się z masy rdzeniowej. Sporządza się je z piasków kwarcowych z niewielkimi dodatkami glin i materiałów wiążących. Ponieważ rdzenie w czasie wypełniania formy ciekłym metalem znajdują się w trudniejszych warunkach niż forma, więc masy rdzeniowe powinny odznaczać się lepszymi własnościami niż masy formierskie, a więc muszą być bardziej wytrzymałe i odznaczać się większą ogniotrwałością. Ponadto masy te powinny być mało gazotwórcze, niehigroskopijne i łatwo dawać się usuwać z zakrzepniętego odlewu.

Rdzenie służą do odtwarzania wewnętrznych kształtów przedmiotu odlewanego. Wykonuje się je w skrzynkach rdzeniowych „rdzennicach” za pomocą wzorników lub maszynowo. W rdzeniu rozróżnia się rdzeń właściwy i rdzenniki. Do maszynowego wytwarzania rdzeni używa się skrzynek metalowych oraz rdzennic z tworzyw sztucznych. Rdzenie wykonuje się z piasku kwarcowego z dodatkiem spoiw (olej lniany, dekstryna, melasa). W celu zwiększenia wytrzymałości rdzeni stosuje się wewnętrzne wkładki z drutu, prętów, siatek drucianych, żeber lanych itp.

---