PROCESY i TECHNIKI WYTWARZANIA -WYKŁAD

Odlewnictwo - technologia wytwarzania (kształtowania) przedmiotów (odlewów) ze stanu ciekłego.

Odlew - efekt zakrzepnięcia metalowego stopu odlewniczego wlanego do formy odlewniczej; produkt technologii.

Stop odlewniczy - materiał, z którego jest wykonany.

Forma odlewnicza - przyrząd, w którym powstaje.

Podstawowe etapy procesu wykonania odlewu: 1. Przygotowanie ciekłego stopu metalowego. 2. Wykonywanie (przygotowanie) formy odlewniczej, 3. Wlanie ciekłego stopu do formy odlewniczej. 4. Krzepnięcie i stygnięcie odlewu. 5. Wyjęcie odlewu z formy i operacje końcowe.

Topialnia

Celem procesu jest uzyskanie ciekłego stopu: O założonym składzie chem., O odpowiednim stopniu czystości metalurgicznej, O korzystnym stanie fizyko-chem., O odpowiednio wysokiej temp.

Etapy procesu:

1. Przygotowanie materiałów wsadowych, z których będzie wykonany stop odlewniczy.

2. Stopienie wsadu w piecu topialnym.

3. Przeprowadzanie korekty składu chem. stopu.

4. Dodatkowe operacje metalurgiczne (rafinacja, modyfikacja)

5. Przegrzanie stopu do wymaganej temp.

6. Transport ciekłego metalu do miejsca zalewania form odlewniczych.

Stopy odlewnicze:

Stopy żelaza: żeliwo, staliwo

Stopy metali nieżelaznych: Cu-Zn - mosiądz, Cu-Sn - brąz, Cu-Al - brąz bezcynowy, Al-Si - silumin, Zn-Al - znal

Mosiądz dwufazowy CuZn40Pb: temp. Zalewania 1320-1420 C, gęstość: 8,2-8,5 g/cm^3

Brąz CuSn10-C: temp. Zalewania: 1270-1320 C, gęstość: 8,5-9,5 g/cm^3

Brąz CuAl10fe3Mn2: temp zalewania: 1370-1420 C, gęstość: 7,5-8,0 g/cm^3

Silumin AC Si12Cu2Mg: temp. Zalewania: 680-720 C, gęstość 2,5-2,7 g/cm^3

Układ stabilny Fe - grafit

Układ metastabilny Fe-Fe3C

Żeliwo - stop żelaza z węglem, w którym zawartość węgla przekracza 2,08%

Żeliwo - stop żelaza z węglem ( i innymi pierw. Si, Mn, P, S.) w którym zawartość węgla przekracza max. rozpuszczalność węgla w austenicie

Przemiana eutektyczna

W układzie metastabilnym:

… - ledeburyt

W ukł. Stabilnym (grafityzacja pierwotna)

… - eutektyka grafitowa

<rys. 2>

Rodzaj przemiany eutektycznej zależy od:

• Składu chem. żeliwa: pierwiastki grafityzujące C, Si, Al. I zabielające Mn, P, Cr

• Szybkości krzepnięcia odlewu: zwiększenie szybkości sprzyja zabieleniu

Żeliwo GJL-250: temp. Zalewania: 1350-1550 C, gęstość 6,9-7,2 g/cm^3

Materiały wsadowe (odlewnie żeliwa i staliwa):

• Wielkopiecowe surówki odlewnicze (stopy żelaza z węglem 3,5-4,5% C),

• Żelazastopy (Fe-Si, Fe-Mn),

• Nawęglacze,

• Złom żeliwny obiegowy (własny),

• Złom żeliwny i staliwny obcy,

• Złom stalowy.

Kontrola ciekłego żeliwa: pomiar lejności, skłonność do tworzenia zabieleń, analiza składu chem., analiza termiczna

LEJNOŚĆ STOPU jest to zdolność stopu do płynięcia kanałami wnęki formy odlewniczej.

Klasyfikacja: stopy odlewnicze (dobra lejność), stopy do przeróbki plastycznej (zła lejność)

Czynniki: skład chem., temp. Ciekłego stopu, sposób zalewania formy odlewniczej, szybkość krzepnięcia metalu w formie odlewniczej.

Niedolewy - lejność stopu zbyt mała.

Próba spiralna

Miara lejności: długość odlewu [cm] - dobra lejność 50-60cm. Minimalną lejność dla odlewu ustala się metodą prób dla każdego wyrobu. Lejność można poprawić poprzez korektę składu chemicznego ciekłego stopu lub podwyższenie jego temp.

Znormalizowana próba technologiczna, która polega na wykonaniu odlewu krzepnącego z różnymi szybkościami.

<zdjęcie>

Żeliwo białe: <zdjęcie>

Żeliwo połowiczne: <zdjęcie>

Żeliwo szare: <zdjęcie>

Analiza terminczno-deriwacyjna (metoda ATD) -

<wykres>

Klasyfikacja żeliwa szarego - PN-EN 1561:2000

Struktura żeliwa szarego.

Żeliwo EN-GJL-200 , PN-EN 1261:2000

Żeliwo sferoidalne:

Sferoidyzacja - proces podwójnej modyfikacji (wprowadzenie do stopu magnezu lub ceru oraz żelazokrzemu - grafit kulkowy. Zmiana postaci grafitu powoduje równoczesne zwiększenie wytrzymałości i wydłużenia żeliwa.

Klasyfikacja żeliwa sferoidalnego: PN-EN 1563:2000

Wytrzymałość R_m: żeliwo szare (450 MPa)

Żeliwo ADI - Austempered Ductile Iron: żeliwo sferoidalne hartowane z przemianą izotermiczną. PN-EN 1564:2000

Wykres CTP

Przemiana bainityczna:

Bainit górny - temp. Przemiany 550-400 C

Bainit dolny - temp. przemiany 400-300 C

PIECE TOPIALNE - stosowane w odlewniach żeliwa i staliwa. Piece na paliwa stałe (żeliwiak), piece elektryczne (indekcyjne, łukowe)

Żeliwiak - piec szybowy opalany koksem

Piece elektryczne - łukowe: z pośrednim łukiem (pośredniego działania) lub z bezpośrednim łukiem (bezpośredniego działania)

Piec elektryczny - indukcyjny: (tyglowy, bezrdzeniowy)

Proces Duplex

Odlewy wytwarzane są ze stopów metalowych o korzystnych właściwościach technologicznych nazywanych właściwościami odlewniczymi: lejność, skurcz odlewniczy, skłonność do tworzenia jam skurczowych, skłonność do tworzenia naprężeń odlewniczych, skłonność do tworzenia zabieleń (żeliwo).

Skurcz odlewniczy - zmniejszenie się wymiarów objętościowych i liniowych spowodowanych obniżaniem się temp. Etapy skurczu: w stanie ciekłym (od temp. zalewania do temp. początku krzepnięcia), podczas krzepnięcia (w zakresie temp. krzepnięcia), ….

Skurcz odlewniczy - procentowe zmniejszenie liniowych wymiarów odlewu w stosunku do wymiarów modelu odlewniczego (wnęki formy):

Skurcz odlewniczy wynosi 0,5-2,0 %. Zależy od: składu chem. stopu, temp. zalewania, stopnia hamowania skurczu swobodnego (przez niepodatną formę odlewniczą - hamowanie mechaniczne, nierównomierne stygnięcie odlewu - hamowanie cieplne)

Hamowanie swobodnego skurczu odlewniczego powoduje powstanie w odlewie wewnętrznych naprężeń odlewniczych, które mogą spowodować odkształcenie lub pęknięcie odlewu.

Wielkość naprężeń zależy od: wielkość skurczu swobodnego stopu, stopnia hamowania skurczu swobodnego, wrażliwości struktury stopu na szybkość stygnięcia, rodzaj formy odlewniczej, kształt odlewu ( zróżnicowanie grubości ścianek)

Próba określa sumaryczną skłonność do tworzenia naprężeń cieplnych i fazowych:

Skłonność do tworzenia jam skurczowych: wewnętrzna jama skurczowa, powierzchniowa jama skurczowa.

KLASYFIKACJA FORM ODLEWNICZYCH:

Ze względu na trwałość: formy jednorazowe, formy wielorazowe

Masa formierska: mieszanina ceramicznych materiałów formierskich o dostatecznie dużej odporności na działanie wysokiej temp. np. piasek kwarcowy z dodatkami wiążącymi ziarna.

KLASYFIKACJA MASY FORMIERSKIEJ:

Ze względu na rodzaj materiału wiążącego piasek: masy z lepiszczem (utwardzane w wyniku mechanicznego zagęszczenia), masy ze spoiwem (utwardzane w wyniku reakcji zachodzącej w spoiwie)

Rodzaj masy formierskiej decyduje o metodzie wykonania formy odlewniczej.

Masy z lepiszczem: mieszanina materiałów formierskich: piasek kwarcowy (90%), lepiszcz (6%), woda (3%), ddatki specjalne (1%).

Piasek formierski: osnowa masy. płukany piasek kwarcowy (min. 95% SiO2) o odpowiednim kształcie i wielkości ziarna. Wielkość ziarna piasku, w zależności od rodzaju odlewu wynosi 0,1-0,8mm.

Lepiszcze - materiał łączący ziarna osnowy. (olać rodzaje Glinków)

Woda - aktywuje lepiszcze w wyniku oddziaływania typu elektrycznego (oddziaływanie ładunków elektrycznych znajdujących się an powierzchni cząstek glinki na dipolowe cząstki wody). Ilość wody zależy od rodzaju glinki i wynosi 1,5-5,0%.

Dodatki specjalne - pył węglowy zmniejszający skłonność masy do przypalania się do powierzchni odlewu oraz zwiększający gładkość powierzchni odlewu.

Właściwości masy formierskiej (po zagęszczeniu): zależą głównie od jednorodności i ziarnistości piasku, ilości i rodzaju lepiszcza, wilgotność, stopnia zagęszczenia masy. Właściwości mas formierskich powinny być powtarzalne w trakcie i niezmienne w funkcji czasu.

Wytrzymałość (spoistość) odporność masy na nacisk wywierany przez ciekły metal. Miarą wytrzymałości jest wielkość siły P [MPa] (ściskanie, rozciąganie, ścinanie lub zginanie) na 1 cm^2 powierzchni masy, przy których nastąpi jej trwałe odkształcenie. Wytrzymałość na ściskanie (Rc): masy wilgotnej 3-8 MPa, masy wysuszonej > 40Mpa.

Przepuszczalność - zdolność masy do odprowadzania pary wodnej i gazów powstałych w formie w wyniku kontaktu z ciekłym stopem.

Podatność - zdolność masy do odkształcenia się pod wpływem nacisku wywieranego przez kurczący się odlew.

Osypliwość - skłonność masy do wykruszania się ziarn piasku z Pierzchni wnęki formy (utrata spoistości masy w wyniku jej wysuszania np. przez ciekły metal)

Wybijalność - zdolność do utraty pierwotnej wytrzymałości przy usuwaniu odlewu z formy.

Przygotowanie masy formierskiej - stacja przeróbki masy.

Proces ma na celu: dokładne wymieszanie materiałów formierskich w ściśle określonych proporcjach, pokrycie każdego ziarna piasku równomierną, cienką warstwą wilgotnego lepiszcza.

Przygotowanie nowej masy odejmuje: kontrolę materiałów formierskich, dozowanie materiałów, mieszanie materiałów, spulchnienie masy.

Przygotowanie masy obejmuje: regeneracja zużytej asy formierskiej, uzupełnienie brakujących składników, mieszanie, spulchnienie masy.

Materiały i oprzyrządowanie potrzebne do wykonania formy odlewniczej: spulchniona masa formierska, skrzynki formierskie (ramki), modele odlewnicze, oddzielacze, narzędzia lub urządzenia formujące.

Modele odlewnicze - oprzyrządowanie odlewnicze służące do odwzorowywania w formie kształtów wnęki formy i kanałów układu wlewowego.

Materiały na modele: modele trwałe (drewno, metal, polimery), modele jednorazowe (wosk, styropian)

Klasyfikacja modeli

Bezpośrednio odtwarzające kształt odlewu - jednoczęściowe bez znaków rdzeniowych.

Pośrednio odtwarzajace kształt odlewu - wieloczęściowe ze znakami rdzeniowymi.

Płyty modelowe

Model - odlew (różnice) - modele są powiększone o naddatki na skurcz odlewniczy i naddatki na obróbkę mechaniczną, mogą składać się z kilku części wtedy, gdy skomplikowany kształt odlewu uniemożliwia wyjęcie całego modelu z zagęszczonej masy formierskiej.

Formowanie - prces wykonania formy odlewniczej poprzez mechaniczne zagęszczenie masy piaskowo-gliniastej. Zagęszczenie polega na tym, że pod działaniem sił zewn. w masie następuje zbliżenie ziaren osnowy kwarcowej i zespolenie ich lepiszczem. Miarą stopnia zagęszczenia masy jest twardość.

Ręczne metody zagęszczania ze względu na pracochłonność są w produkcji jednostkowej. Zalety: niski koszt modeli, uniwersalność (możliwość wykonania bardzo małych i bardzo dużych form), łatwość uzyskania dowolnego stopnia zagęszczenia masy w poszczególnych obszarach formy.

Najczęściej stosowane metody formowania ręcznego: z modelu niedzielonego - jednoczęściowego (zwykle, z obieraniem, przy użyciu fałszywki), z modelu dzielonego.

Maszynowe metody formowania - formowanie maszynkowe stosuje się w przypadku produkcji seryjnej, ze względu na wysoki koszt wykonania modeli. W formowaniu maszynowym skrzynki stanowiące formę wykonywane są oddzielnie. Wymusza to konieczność stosowania płyt modelowych, które pozwalają (…)

Zalety formowania maszynowego(w stosunku do formowania ręcznego): większa dokładność wykonania wnęki formy, większa wydajność, większy stopień zagęszczenia masy formierskiej, powtarzalność produkcji.

Wady: ograniczona wielkość formy i odlewów, wyższy koszt wykonania modeli, brak możliwości podziału modeli na wiele elementów.

Zagęszczenie masy formierskiej w metodach formowania maszynkowego można uzyskać w wyniku: statycznego prasowania, wstrząsania, zagęszczania impulsowego.

Formowanie przez wstrząsanie - polega na zamianie siły bezwładności wstrząsanej masy formierskiej na pracę potrzebną do jej zagęszczania.

Zagęszczanie impulsowe - polega na zagęszczaniu masy formierskiej falą sprężonego powietrza (o,4-0,6 MPa), wywołaną nagłym otwarciem zaworu o dużym przekroju.

Masy formierskie ze spoiwami: chemoutwardzalne, termoutwardzalne

Masa chemoutwardzalna: Skład masy formierskiej: osnowa masy (piasek kwarcowy), spoiwo (szkło wodne sodowe - krzemian sodu, o odpowiednich składzie chem.) Metoda formowania: Zapełnienie masą formierską skrzynki, w której znajduje się model. Sposób wiązania: Przedmuchanie masy ….

Uwodniona krzemionka zawarta w szkle wodnym pod wpływem CO2 wydziela się z roztworu w postaci cząstek koloidalnych. Ich rozrost (koagulacja) lub polimeryzacja (tworzenie się łańcuchów) ….

Zalety: bardzo wytrzymałe, duża przepuszczalność gazów, wysoka żaroodporność.

Wady: mała podatność (możliwość powstania silnych naprężeń odlewniczych), zła wybijalność, duża chropowatość powierzchni odlewów.

Formy termoutwardzalne - formy skorupowe - skład masy formierskiej (piasku otaczanego): osnowa masy (piasek kwarcowy), spoiwo (termoutwardzalna żywica - fenolowa lub fenolowo-formadehydowa, otaczająca cienką warstwą ziarna osnowy), utwardzacz (urotropina)

Metoda Cronninga (proces C): 1. Podgrzanie płyty modelowej do temp. 220-260C, 2. Nałożenie zbiornika z masą formierską na płytę. Pod wpływem ciepła pływy żywica otaczająca ziarna piasku topi się i polimeryzując wiąże ziarna w plastyczną skorupę. Grubość tej skorupy jest tym większa im wyższa jest temp. płyty i dłuższy jest czas przetrzymywania masy na płycie. 3. Po 6-25 sek usunięcie zairn, które nie osiągnęły temp. topnienia żywica. Na płycie pozostaje warstwa związanej masy o grubości 4-10mm - „skorupa”. 4. Utwardzenie skorupy w piecu przez ok. 2 min w temp. 300C. 5. Zdjęcie za pomocą wypychaczy utwardzonej skorupy z płyty modelowej. 6. Złożenie dwóch „skorup” w formę odlewniczą i obsypanie jej materiałem o określonej przewodności cieplnej.

Metoda Dietreta (proces D): 1. Pogrzeanie pływy modelowej do temp. 220-260C. 2. Wdmuchiwanie piasku otaczanego w przestrzeń utworzoną przez płytę modelową i kształtową płytę profilową odwzorowującą zewn. kształt skorupy. 3. Utwardzenie skorupy w piecu przez ok. 2 min. w temp. 300C. 4.

Porównanie procesu C i D: W procesie D istnienie możliwość dokładnego określenia kształtu powierzchni „skorupy” i jej grubości. Do wykonania formy zużywa się mniej masy formierskiej, która dzięki większemu zagęszczeniu (proces wdmuchiwania) ma o 30% większą wytrzymałość. Proces „D” wymaga jednak droższego oprzyrządowania i zastosowania nadmuchiwarek.

Zalety form skorupowych: możliwość wytwarzania odlewów o dużej dokładności wymiarowej i gładkiej powierzchni, możliwość uzyskania odlewów cienkościennych, powierzchniowe nawęglania odlewów żeliwnych zapobiegające powstaniu struktury żeliwa białego, możliwość regulacji szybkości krzepnięcia stopu, zmniejszenie zużycia masy formierskiej, eliminacja skrzynek formierskich i zmniejszenie powierzchni produkcyjnej odlewni.

Wady form skorupowych: wydzielanie się trującego fenolu i formaldehydu, trudności z regeneracją i utylizacją zużytej masy, energochłonność procesu wykonania formy, ograniczenie wielkości odlewów.

Wytwarzanie odlewów w formach trwałych: odlewanie kokilowe (grawitacyjne), ciśnieniowe, odśrodkowe (w formach wirujących), ciągłe.

Odlewanie kokilowe (grawitacyjne) - polega na wytwarzaniu odlewów w formach metalowych (stalowych lub żeliwnych) nazywanych kokilami. Stop odlewniczy wypełnia wnękę kokili pod własnych ciężarem - odlewanie grawitacyjne.

Kokile są formami: wieloczęściowymi, z kształtowymi płaszczyznami podziału (pionowymi i poziomymi) umożliwiającymi wyjęcie gotowego odlewu wraz z przylanym ukł. wlewowym. W przypadku odlewów z otworami stosuje się dodatkowe rdzenie (metalowe lub piaskowe).

Uruchomienie produkcji: 1. Wstępne podgrzanie kokili do temp. ok. 100C 2. Naniesienie na powierzchnię wnęki formy, kanałów układu wlewowego i rdzeni powłoki izolacyjnej (pokrycia ochronnego) o grubości 0,2 - 1,0mm, którego zadanie jest: ochrona formy przed szokiem termicznych, regulacja szybkości krzepnięcia i stygnięcia odlewu, ułatwianie wyjęcia rdzeni z odlewu i odlewu z formy. 3. Podgrzanie kokili (i rdzeni) do temp. pracy zależnej od temp. stopu odlewniczego i od najmniejszej grubości ścianek odlewu. 4. Montaż rdzeni i złożenie kokili. 5. Wlanie stopu odlewniczego przez układ wlewowy do wnęki formy. 6. Po zakrzepnięciu stopu wyjęcie rdzeni z odlewu i otwarcie kokili. 7. Wyjęcie odlewu.

Kontynuacja produkcji: 1. Przedmuchanie wnęki formy sprężonym powietrzem w celu jej oczyszczania. 2. Sprawdzanie stanu powłoki izolacyjnej. 3. Ustabilizowanie temp. pracy formy i rdzeni (podgrzanie lub chłodzenie) 4. Montaż rdzeni i złożenie kokili. 5. Wlanie do formy ciekłego stopu

Zalety odlewania kokilowego w porównaniu do wytwarzania odlewów w formach piaskowo-gliniastych: większa dokładność wymiarowa odlewów, gładsze ścianki odlewów, lepsze właściwości mechaniczne odlewów, wyeliminowanie pyłu i zmniejszenie hałasu, zwiększenie wydajność, zmniejszenie powierzchni produkcyjnej, łatwiejsza mechanizacja i automatyzacja procesu.

Wady: nie można wytwarzać odlewów dużych, trudności z produkcją odlewów staliwnych i żeliwnych (zbyt wysoka temp) stopu, ograniczenie kształtów odlewu do takich, które umożliwiają wyjęcie odlewu z formy (mało skomplikowane powierzchnie podziału), niepodatność formy, która może spowodować powstanie dużych naprężeń odlewniczych, produkcja jest opłacalna przy produkcji powyżej 500 odlewów

Odlewanie ciśnieniowe: polega na wytwarzaniu odlewów w formach metalowych. Stop odlewniczy wypełnia wnękę formy z bardzo dużą prędkością (20-80 m/s) pod wpływem wysokiego ciśnienia (10-200MPa) wywieranego przez tłok w komorze prasowania. Forma jest zamontowana w maszynie ciśnieniowej. W zależności od umiejscowienia komory prasowania stosowane są: maszyny ciśnieniowe z gorącą/zimną komorą.

Maszyny ciśnieniowe z gorącą komorą: Komora prasowania zanurzona jest w piecu z ciekłym stopem odlewniczym (Stopy Mg i Zn).

Maszyny ciśnieniowe z zimną komorą: Komora prasowania znajduje się poza tyglem i jest napełniania ręcznie lub automatycznie. Można wytwarzać odlewy ze stopów Al. i Cu.

Zalety (w porównaniu do odlewania kokilowego): b. duża dokładność wykonania i gładkość powierzchni odlewu (nie ma pokryć ochronnych), ograniczenie zakresu obróbki wiórowej, odlewy cienkościenne (od 0,5mm), drobnoziarnista struktura, brak wad powierzchniowych, b. duża wydajność (nawet do kilkunastu odlewów na minutę).

Wady i ograniczenia: stopy Al., Zn, mg, Pb, (Cu), ograniczona wielkość odlewów (do kilku kg), max. grubość ścianki - do mm, występowania porowatości gazowej i wtrąceń niemetalicznych (nieszczelność odlewów), bardzo wysoki koszt wykonania formy (produkcja masowa).

OSTATNIEGO NIE BĘDZIE!

---