OTRZYMYWANIE SURÓWKI.
Surówkami nazywamy stopy żelaza z węglem o zawartości pow. 2% węgla. Są to stopy leżące na prawo od punktu E na wykresie żelazo-węgiel. Ze względu na to, że w ich strukturze znajduje się ledeburyt są stosowane wyłącznie jako stopy odlewnicze. Do produkcji surówki używa się rud żelaza, dodatków, paliwa, powietrza. Rudy zanieczyszczone są skałą płonną. Wśród rud wyróżniamy:
-Magnetyt Fe3O4 - 60-72%Fe;-Hematyt Fe2O3 - do 70% Fe;
-Syderyt FeCO3 - 30-40% Fe;-Limonit Fe2O3 *H2O - 25-60% Fe;
Dodatki pozwalają na usunięcie domieszek rud i popiołów paliwa. Przy skale płonnej zawierającej wapń stosuje się dodatki kwaśne (np. piasek kwarcowy), natomiast przy skale płonnej kwaśnej stosuje się dodatki zasadowe. Do topników zaliczamy:
-Wapno palone CaO; -Kamień wapienny CaCO3;
-Fluoryt CaF2; -Boksyt Al.2O3; -Krzemionka SiO2;
Jako paliwa stosuje się koks. Powietrze do spalania jest podgrzewane wstępnie w nagrzewnicach.
Wielki piec jest wymurowany wewnątrz cegłą szamotową, a najniższa część jest wyłożona cegłą węglową.
Przed otworami dysz koks spala się na CO2, który w wyższej strefie reaguje z koksem, przechodząc w CO. Tlenek węgla unosi się, redukując tlenki żelaza, np. CO+Fe3O4 3FeO+CO2, CO+FeO Fe+CO2.
Spust wielkiego pieca następuje co 4h. Surówka jest odlewana do form tworząc gąski długości do 1m i o masie do 40kg. Surówki dzieli się na odlewnicze i przeróbcze. Żużel jest spuszczany przy spuście surówki, rzadziej między spustami. Czasami surówka w stanie ciekłym jest przewożona w kadziach do mieszalnika. Mieszalnik jest przeznaczony do przetrzymywania surówki dla stalowni, do ujednorodnienia składu chemicznego i do odsiarczenia surówki (Mn+FeS
Fe+MnS).
OTRZYMYWANIE CIEKŁEJ STALI.
Przeróbka surówki na stal nazywa się świeżeniem. Węgiel i inne pierwiastki (Mn, Si, P) są usuwane poprzez utlenienie. Metoda wytwarzania stali wpływa na jej jakość i wiąże się z różnymi sposobami oczyszczania stali z domieszek. Wyróżniamy następujące procesy stalownicze:
-metoda Siemens-Martin: wytop stali jest przeprowadzany w piecu trzonowym ze wstępnym podgrzaniem gazu i powietrza do 1100ºC w regeneratorach. W piecu uzyskuje się temp. 1700ºC co umożliwia przetapianie dużych ilości złomu. Piece do tej metody wytopu mają wyłożenie kwaśne albo zasadowe, w zależności od użytej surówki. Stale martenowskie mogą być kwaśne - lepiej odtlenione ale zawierające zwiększoną ilość siarki i fosforu lub zasadowe - gorzej odtlenione ale zawierające mniej siarki, a zwłaszcza fosforu. Stale martenowskie zwierają mniej azotu niż bessemerowskie lub thomasowskie, dlatego są bardziej odporne na starzenie i nadają się do spawania. Zawierają również mniej wtrąceń niemetalicznych.
-metoda Bessemera: świeżenie odbywa się za pomocą nadmuchu powietrza na stopioną surówkę przy kwaśnym wyłożeniu pieca (konwertora). Proces nadmuchu trwa ok. 15 min. Temperatura kąpieli >1600ºC. Podczas procesu spalaniu ulega najpierw Si oraz Mn, natomiast później C. Kwaśne wyłożenie pieca uniemożliwia świeżenie surówki bogatej w P oraz S. Stal bessemerowska zawiera dość duże ilości S, P oraz tlenu i azotu, dostających się do stali przy świeżeniu. Stal taka jest mało plastyczna, ma dużo wtrąceń, jest skłonna do starzenia i nie nadaje się do spawania. Jej zaletą jest niski koszt wytwarzania.
-metoda Thomasa: świeżenie nadmuchem powietrza przy zasadowym wyłożeniu pieca. Dzięki temu istnieje możliwość przeróbki na stal surówek bogatych w fosfor. Spalanie Si, Mn i C przebiega wcześniej niż spalanie P, dlatego proces należy przerwać mimo nie do końca zredukowanej zaw. P. Stal musi być ponownie nawęglana przez dodanie stopów żelaza bogatych w węgiel. Stal thomasowska różni się od bessemerowskiej zmniejszoną zawartością P. Reszta własności j.w.
-konwertory tlenowe: proces świeżenia przebiega przez pionowy nadmuch powietrza na powierzchnię kąpieli. W wyniku świeżenia otrzymuje się stal o wysokiej jakości o własnościach stali martenowskich. Stale takie mają małą zawartość azotu. Wadą tej metody jest konieczność dysponowania ciekłą surówką, jednak istnieje możliwość użycia we wsadzie złomu.
-elektrometalurgia: stale o wysokiej jakości wytwarza się w piecach elektrycznych łukowych lub indukcyjnych, gdyż można w nich osiągnąć najwyższy stopień oczyszczenia ze szkodliwych domieszek. Dodatkowe oczyszczanie, zwłaszcza z gazów można uzyskać przez stosowanie metalurgii próżniowej. Zastosowanie prądu elektrycznego w procesie metalurgicznym pozwala na uzyskiwanie bardzo wysokich temperatur koniecznych przy wytwarzaniu stali stopowych, umożliwia precyzyjne regulowanie temperatury wytopu, ułatwia wytworzenie odpowiedniej atmosfery (odtleniającej lub utleniającej) wewnątrz pieca, umożliwia wytopienie stali z bardzo małą zawartością S. Jednak stal z wytopu elektrycznego zawiera zwiększoną ilość azotu. Materiały wsadowe do pieca elektrycznego stanowią: złom, surówka, żelazo gąbczaste, żelazostopy i metale stopowe, materiały żużlotwórcze (ruda, wapno, fluoryt, piasek) i nawęglające. Piece elektryczne można podzielić na:
piece łukowe (o nagrzewie pośrednim, bezpośrednim, piece oporowo-łukowe);
piece indukcyjne; w stalownictwie stosowane są piece indukcyjne wielkiej częstotliwości (bezrdzeniowe).
ODTLENIANIE I USPOKAJANIE STALI.
Tlen jest dostarczany do stali podczas procesu świeżenia w celu spalenia domieszek. W metalach i stopach występuje on w postaci składnika rozpuszczonego w metalu lub odrębnej fazy tlenkowej, nierozpuszczalnej w osnowie, zwanej wtrąceniami niemetalicznymi. Obecność tlenu w stalach obniża ich własności plastyczne i wytrzymałościowe, dlatego przeprowadza się odtlenianie stali. Stopień odtlenienia łączy się z pojęciem czystości stali. O stopniu czystości stali decydują:
zawartość szkodliwych domieszek;
niejednorodność chemiczna i fazowa;
zawartość, postać, rozmieszczenie, wielkość i rodzaj wtrąceń niemetalicznych.
Źródłami powstawania wtrąceń niemetalicznych w stali są:
niezupełne wypływanie i oddzielanie się od stali produktów jej odtleniania i odsiarczania;
wydzielanie się tlenków i siarczków w miarę spadku temperatury;
produkty erozji i korozji wykładziny ogniotrwałej pieców, kadzi i zestawów odlewniczych;
cząstki żużla zmieszane ze stalą w piecu oraz w czasie spustu i przebywania w kadzi;
zanieczyszczenia pochodzące z dodatków stopowych wprowadzonych do ciekłej stali.
W zależności od stopnia odtlenienia stale dzieli się na:
stale uspokojone - zawierające dodatki pierwiastków o dużym powinowactwie do tlenu (Mn, Si, Al.) w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenianie ciekłej stali, a nie zachodziła reakcja odtleniania drogą utleniania węgla we wlewnicy. W takich stalach nie wydziela się podczas krystalizacji wlewka tlenek węgla, co powoduje skłonność do powstawania jam skurczowych i zmniejsza uzysk stali;
stale półuspokojone - wstępne odtlenianie przeprowadza się mniejszą ilością odtleniaczy, w wyniku czego we wlewnicy następuje częściowe odtlenianie węglem rozpuszczonym w kąpieli. Wydzielający się tlenek węgla tworzy pęcherze gazowe, które kompensują częściowo skurcz przy krzepnięciu. Stale te zawierają jednak więcej tlenu niż uspokojone, mają również większy uzysk;
stale nieuspokojone - ilość pierwiastków odtleniających jest minimalna. Powoduje to intensywne odtlenianie węgla we wlewnicy drogą reakcji węgla z tlenem rozpuszczonym w żelazie i powstanie dużej ilości pęcherzy gazowych. Uzysk w tych stalach jest największy, ale zawierają one najwięcej tlenu. Stale nieuspokojone ze względu na niższą jakość są stosowane na wyroby o niezbyt wysokich wymaganiach.
Dla uzyskania wysokiej czystości stali stosuje się w procesie metalurgicznym wytapianie próżniowe, obróbkę VAD (próżniowo-argonowe odgazowanie), przetop elektrożużlowy.
Wytwarzanie wysokojakościowej stali metoda pozapiecową VAD ma na celu zmniejszenie i modyfikowanie wtrąceń niemeta-licznych, obniżenie zawartości gazów (H, N, O), ujednorodnienie składu chemicznego, polepszenie własności mechanicznych i technologicznych. W metodzie tej metal w kadzi umieszczony jest w komorze próżniowej i ogrzewany łukiem elektrycznym. Próżniowy podajnik żelazostopów umożliwia prowadzenie procesów wykańczania i odtleniania kąpieli metalowej. Istnieje możliwość kontroli składu chemicznego oraz temperatury metalu dzięki zastosowaniu lancy próbnikowej. Umieszczona w dnie kadzi kształtka porowata pozwala na przedmuchiwanie metalu argonem w czasie trwania procesu. W wyniku takiej obróbki uzyskuje się stopień odsiarczenia stali >70%, zawartość tlenu <15ppm, zawartość wodoru <2ppm, znaczne obniżenie szkodliwych domieszek (P, Sn, As, Pb, Ca),małą ilość i wielkość wtrąceń niemetalicznych.
Elektrożużlowe przetapianie stali jest procesem alternatywnym do procesu próżniowego. Polega on na przetapianiu metalu w specjalnie dobranym żużlu i zbieraniu rozpuszczonego stopu w chłodzonym krystalizatorze, gdzie metal krzepnie pod ochronną warstwą żużla.
Procesy wytapiania i przetapiania stali w próżni można prowadzić w następujących piecach:
indukcyjny piec próżniowy - różni się tym od normalnego pieca indukcyjnego, że tygiel z przetapianym metalem jest umieszczony w komorze próżniowej;
łukowy piec próżniowy - do przetapiania w łuku elektrycznym z odpowiednio przygotowanej elektrody. Spływający metal jest zbierany do chłodzonego krystalizatora. Wewnątrz pieca panuje próżnia;
elektronowy piec próżniowy - przygotowaną elektrodę stapia się w strumieniu elektronów emitowanych z katody na powierzchnię roztapianej anody, której roztapiany metal zbiera się w krystalizatorze. Przez zastosowanie odpowiednich pól elektrycznych i magnetycznych można zmieniać kierunek strumienia elektronów, kierując go np. na powierzchnię krzepnącego w krystalizatorze wlewka, w celu utrzymania go przez dłuższy czas w ciekłym stanie.
STRUKTURA WLEWKA.
Po odlaniu ciekłej stali do wlewnicy następuje nagłe przechłodzenie cienkiej strefy przyległej do ścianki wlewnicy. W wyniku tego powstaje duża liczba zarodków krystalizacji o przypadkowej orientacji i metal przyjmuje strukturę drobnoziarnistą. Strefę tę nazywamy strefą kryształów zamrożonych, której grubość zależy od temperatury zalewanego metalu i grubości ścianek wlewnicy. Po skrzepnięciu tej warstwy zachodzi znacznie wolniejsze chłodzenie, które sprzyja wzrostowi drugiej strefy. Tworzą się w niej kryształy kolumnowe, zorientowane swymi osiami prostopadle do ścianki wlewnicy. Trzecia strefa rozciąga się poza strefę kryształów kolumnowych i dochodzi aż do środka wlewka. Cechuje się krystalizacją równoosiowych dendrytów o przypadkowej orientacji, na skutek wytworzenia się w tej strefie odpowiedniego przechłodzenia.
Przy intensywnym odprowadzaniu ciepła, zwłaszcza w metalach o dużym przewodnictwie cieplnym, strefa druga może sięgać nawet do środka wlewka, co nazywamy transkrystalizacją. W stalowych wlewkach jest to zjawisko niekorzystne ze względu na skłonność do pękania wlewków na styku stref kryształów kolumnowych. W metalach bardziej plastycznych pękanie nie zachodzi, a ze względu na mniejszą ilość porów celowo dążymy do wytworzenia transkrystalizacji.
OTRZYMYWANIE ŻELIWA.
Wytapianie w żeliwiakach - Około 95% żeliwa wytapia się w żeliwiakach. Jest to wynikiem stosunkowo dużej wydajności godzinowej oraz korzystnej ceny paliwa .Do cech ujemnych można zaliczyć trudności w uzyskaniu odpowiedniej temp. przegrzania ,dowolnego składu chemicznego (poniżej 3% C i powyżej 3,7% C), zanieczyszczenie metalu siarką, tlenem wodorem ,oraz niemożność przetrzymania ciekłego metalu w żeliwiaku bez spadku temp. Do podstawowych materiałów wsadowych zalicza się: surówkę odlewniczą, złom żeliwny, złom stalowy, żelazostopy, zaprawy, elektrokostki, koks, topniki. W wyniku bezpośredniego kontaktu ciekłego metalu z koksem następuje jego nawęglenie, nasiarczenie, zaś na skutek oddziaływania utleniających gazów - wypalanie krzemu, manganu i innych pierwiastków znajdujących się we wsadzie metalowym. Intensyfikację procesu uzyskuje się poprzez zastosowanie podgrzanego dmuchu, zastosowanie dmuchu wzbogaconego w tlen , gazu ziemnego.
Wytapianie w piecach elektrycznych. Piece elektryczne umożliwiają łatwą regulację składu chemicznego i podgrzewania żeliwa. Umożliwiają przetrzymywanie żeliwa w określonej temp. praktycznie przez dowolny okres. Stopień zanieczyszczeń środowiska jest mniejszy. Stosuje się elektryczne piece łukowe i indukcyjne. Stosownie pojedynczych pieców do topienia żeliwa nie zawsze jest technicznie i ekonomicznie uzasadnione. Wtedy stosuje się tzw. proces duplex, gdzie topnienie wsadu stałego odbywa się w żeliwniaku, a przegrzewanie i regulację składu chemicznego przeprowadza się w piecu elektrycznym, najczęściej indukcyjnym.
ŻELIWO SZARE.
Jest najbardziej rozpowszechnionym stopem odlewniczym żelaza. Nazwa pochodzi od ciemnego przełomu spowodowanego obecnością grafitu. Własności żeliw szarych zależą od struktury osnowy metalicznej i od postaci grafitu. Pod względem struktury osnowy metalicznej żeliwo szare można podzielić na:
-żeliwo szare ferrytyczne - osnowę stanowi ferryt z licznymi grubymi płatkami grafitu, Rm=100-150 MPa, twardość 100-140 HB, mała odporność na ścieranie. Jest stosowane na armaturę piecową i domową, kształtki, radiatory itp. Skład chem.: węgiel ok. 3,5% wyłącznie w postaci grafitu, krzem 1,8-2,2%;
-żeliwo szare ferrytyczno-perlityczne - osnowa złożona jest z ferrytu i perlitu oraz nieco mniejszych wydzieleń płatków grafitu, Rm=150-200 MPa, twardość 140-180 HB, odpowiednio lepsze inne właściwości; węgiel 3,2-3,5%, w tym węgla związanego w perlicie poniżej 0,8%, krzem 1,6-2%; stosowane na odlewy części maszyn;
-żeliwo perlityczne - wysokojakościowe, strukturę stanowi perlit z drobnymi płatkami grafitu; Rm=300-400 MPa, twardość 180-270 HB, bardzo dobre własności użytkowe; węgiel 3-3,2%, w tym węgla związanego 0,8%, krzem 1,4-1,8%; stosowane jest na odpowiedzialne części maszyn.
Grafit jest najbardziej charakterystycznym składnikiem struktury żeliwa szarego. Nadaje on żeliwu specyficzne własności odróżniające je od stali. Płatki grafitu są czynnikiem osłabiającym wytrzymałość osnowy. Obecność grafitu powoduje również brak plastyczności, małą udarność, mały moduł sprężystości itp. Jednak dzięki grafitowi żeliwo ma:
-najmniejszy spośród wszystkich stopów żelaza skurcz odlewniczy (ok. 1%), co powoduje dobre własności odlewnicze;
-dobrą lejność;
-zdolność tłumienia drgań największą spośród wszystkich stopów odlewniczych, dlatego jest stosowane na łoża obrabiarek;
-dobrą skrawalność;
-dość małą wrażliwość na działanie karbu;
-dobre własności ślizgowe.
Podstawą podziału żeliw szarych na różne gatunki jest ich wytrzymałość na rozciąganie. Znak gatunku składa się z liter Zl oraz liczby 100-350 oznaczającej min. wytrzymałość na rozciąganie w MPa, np.:Zl100, Zl150, Zl200, Zl250. Żeliwa Zl300-Zl350 są wytwarzane jako żeliwa modyfikowane.
ŻELIWO SFEROIDALNE.
Jest żeliwem szarym, w którym nie związana część węgla wydziela się w postaci kulek grafitu. Taką postać grafitu uzyskuje się przez dodanie do ciekłego żeliwa szarego czystego magnezu lub stopów z niklem, miedzią lub żelazem i krzemem w ilości 0,1-1% masy ciekłego żeliwa. Po modyfikacji magnezem żeliwo poddaje się ponownej modyfikacji żelazokrzemem lub wapniokrzemem. Żeliwo wyjściowe do modyfikacji sferoidyzującej musi spełniać dwa warunki:
temperatura zazwyczaj pow. 1400ºC;
odpowiedni skład chemiczny z możliwie najmniejszą zawartością siarki i fosforu (aby zmniejszyć zużycie modyfikatora) oraz dla żeliwa ferrytycznego zmniejszoną zawartością manganu.
Żeliwo sferoidalne zachowuje korzystne własności żeliwa szarego oraz ma ciągliwość A do 15%. Jest stosowane do wytwarzania kół zębatych, wałów korbowych silników, walców, pierścieni tłokowych itp. Dzięki większej wytrzymałości od żeliwa z grafitem płatkowym, żeliwo sferoidalne umożliwia zmniejszenie masy maszyn. Wg struktury osnowy metalicznej żeliwo sferoidalne dzieli się na:
żeliwa ferrytyczne - czysta lub przeważająca struktura ferrytyczna, wydłużenie 12-17%, duża udarność przy gorszych własnościach wytrzymałościowych;
żeliwa ferrytyczno-perlityczne - przewaga ferrytu lub perlitu, lepsze własności wytrzymałościowe, zmniejszona plastyczność (A 2-5%) oraz udarność;
żeliwa perlityczne - czysta lub przeważająca struktura perlityczna, b. dobre własn. wytrzym., duża twardość, odporność na ścieranie, mała plastyczność i udarność.
Klasyfikacja żeliw sferoidalnych obejmuje 9 gatunków o Rm 350-900MPa, i wydłużeniu A5 2-22%. Symbol żeliwa składa się z liter Zs, liczby określającej min. wytrzymałość na rozciąganie w MPa oraz dwucyfrowej liczby określającej min. wydłużenie A5, np. Zs37017.
ŻELIWO CIĄGLIWE.
Materiałem wyjściowym jest żeliwo białe, bardzo twarde, kruche, nieplastyczne, nie dające się obrabiać skrawaniem. Odlewy z żeliwa białego poddaje się wyżarzaniu w temp. 900-1000ºC w czasie ok. 100 godz. W strukturze zachodzą wówczas procesy polegające na zmianie postaci węgla, powodujące zmianę struktury i właściwości. Materiał staje się plastyczny, osiągając wydłużenie do 12%, oraz obrabialny skrawaniem przy wytrzymałości na rozciąganie 290-700 MPa , znacznie przewyższającej żeliwo szare. Istnieją dwie metody wytwarzania żeliwa ciągliwego:
metoda amerykańska - wyżarzanie odlewów w atmosferze obojętnej. W wyniku tego następuje zmiana postaci występo-wania węgla, bez zmiany jego ilości w odlewie. Otrzymujemy żeliwo ciągliwe czarne (od ciemnego przełomu);
metoda europejska - wyżarzanie odlewów w atmosferze utleniającej, dzięki czemu następuje zarówno rozkład cementytu, jak i odwęglenie. Otrzymujemy żeliwo ciągliwe białe (od jasnego przełomu).
Właściwości żeliwa ciągliwego są zbliżone do własności stali przy znacznie mniejszych kosztach wytwarzania. Jest stosowane do wyrobu drobnych odlewów części maszyn rolniczych, motoryzacyjnych, armatury itp. Oznaczanie: żeliwo ciągliwe białe - Zcb, czarne - Zcc, perlityczne - Zcp. Po oznaczeniu literowym następuje liczba pięciocyfrowa. Trzy pierwsze cyfry oznaczają min. wytrzym. na rozciąganie w MPa, dwie następne minimalne wydłużenie A3 w %.
WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO I SZYBKOŚCI STYGNIĘCIA NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI ŻELIWA.
W czasie krzepnięcia zachodzi przemiana eutektyczna, kształtująca strukturę i własności żeliw. W wyniku tej przemiany, w zależności od szybkości studzenia, żeliwo może krzepnąć w układzie stabilnym lub niestabilnym. Przy zwiększonej zawartości węgla i krzemu oraz fosforu oraz wolnym krzepnięciu i stygnięciu (np. grubościenne odlewy), żeliwo krzepnie w układzie trwałym i powstają wydzielenia węgla w postaci grafitu. Otrzymuje się wówczas żeliwo szare, w którym węgiel związany może znajdować się tylko w perlicie. Przy krzepnięciu w układzie nietrwałym powstają wydzielenia cementytu i żeliwo krzepnie jako białe. Przy składzie na pograniczu żeliwa szarego i białego i odpowiedniej szybkości krzepnięcia żeliwo może krzepnąć częściowo w układzie trwałym. W strukturze obok grafitu znajduje się również węgiel związany w ilości przekraczającej zawartość węgla w perlicie. Żeliwo takie nazywa się żeliwem połowicznym. Nie ma ono zastosowania i jest traktowane jako brak odlewniczy.
Zawartość węgla w czystym stopie żelaza z węglem w punkcie przemiany eutektycznej wynosi 4,25%. W żeliwie, na skutek obecności Si i P, punkt eutektyczny przesuwa się w lewo w kierunku mniejszych zawartości węgla, zazwyczaj <3,5%. Tak więc żeliwo o zastosowaniu przemysłowym jest stopem podeutektycznym i eutektycznym.
STALIWO.
Stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do 2% węgla, odlewany do form, gdzie krzepnie w postaci odlewu. Od stali odróżnia się gruboziarnistą strukturą, która nie jest zmieniana za pomocą obróbki plastycznej. Zwykle stosuje się staliwa średniowęglowe (0,25-0,45% C). Staliwo dzieli się na:
staliwo węglowe konstrukcyjne - 0,1-2% C, sumaryczna zawartość Cr, Ni, Mo, Cu do 0,8%, struktura ferryt+perlit, stop podeutektoidalny; dzielą się na zwykłej jakości i wysokiej jakości;
staliwo stopowe - 0,1-2% C, zawartość chociaż jednego z następujących pierwiastków jest większa od: 1%Mn, 0,6%Si, 0,3%Cr, 0,3%Ni, 0,1%Mo, 0,1%Ti, 0,3%W, 0,1%V, 0,3%Cu; struktura i własności zależne od zawartości pierwiastków stopowych; są wytwarzane jako konstrukcyjne, odporne na korozję, żaroodporne, narzędziowe itp.
Klasyfikacja staliwa węglowego konstrukcyjnego uwzględnia:
skład chemiczny, wg którego w zależności od zawartości C 0,1-0,6% dzieli się na 6 gatunków;
właściwości mechaniczne (min. wytrzymałość na rozciąganie w MPa);
zawartość domieszek, wg której dzieli się na 4 grupy jakościowe w każdym gatunku: I - zwykłej jakości, II - wysokiej jakości, III - najwyższej jakości, IV - o specjalnych własnościach.
Na jakość staliwa ma wpływ również sposób wytopu, dlatego oznacza się:
Z - wytop w piecu elektrycznym lub martenowskim o wyłożeniu zasadowym;
K - j.w. o wyłożeniu kwaśnym;
B - wytop w konwertorze.
W staliwach stopowych po L następuje dwucyfrowa liczba oznaczająca zaw. C w setnych częściach %, po czym literami oznacza się poszczególne składniki stopowe, a liczbami ich zawartości (analogicznie jak w stalach).
Przykład: L40.IIZ - materiał lany (L), gatunku 40 (zaw. C 0,1-0,2% i Rm=400MPa), wyższej jakości (II), wytopiony w piecu o wyłożeniu zasadowym.
Poza tym staliwo można podzielić na nisko-, średnio- i wysokowęglowe. W miarę wzrostu zawartości węgla wzrasta wytrzymałość, granica plastyczności i twardość, pogarszają się natomiast właściwości plastyczne, wydłużenie i udarność. Poza tym wzrost zaw. C powiększa skłonność staliwa do tworzenia jamy skurczowej, wzrost naprężeń własnych i pęknięć na gorąco ale jednocześnie poprawia lejność. Z tych względów najczęściej stosowane jest staliwo średniowęglowe (0,25-0,4% C). Wykonuje się z niego korpusy maszyn, ramy, koła zębate, części maszyn, armatury parowej itp.
Jako materiał lany staliwo ma wszelkie cechy tego stanu: gruboziarnistą strukturę, budowę dendrytyczną, porowatość gazową i skurczową, wtrącenia niemetaliczne. Cechy te nasilają się ze wzrostem temperatury odlewania.
Własności mechaniczne staliwa są niższe niż stali o analogicznym składzie chemicznym, co jest wynikiem znacznej niejednorodności chemicznej i strukturalnej. Podobnie jak stale, staliwa można poddawać obróbce cieplnej, co pozwala na podniesienie ich własności mechanicznych.
.
FORMOWANIE MASZYNOWE.
Mechanizacja obejmuje: transport skrzynek formierskich i masy formierskiej do stanowisk formierskich, oczyszczanie płyty modelowej, ustawianie skrzynki formierskiej na płycie modelowej, dozowanie masy formierskiej, zagęszczanie masy formierskiej, oddzielenie modelu od formy, odwrócenie dolnej części formy do stanowisk ich składania , wstawianie rdzeni do formy , składanie formy i jej transport do stanowiska zalewania, zalewanie form ciekłym metalem.
Ze względu na sposób zagęszczenia mas maszyny formierskie dzieli się na:
prasy - nacisk zagęszczania 0,2-0,4 MPa, stosowane do odlewów o wysokościach do 100 mm;
wstrząsarki - po napełnieniu masą skrzynki formierskiej i ustawieniu jej na stole wstrząsarki, doprowadza się sprężone powietrze o ciśnieniu 0,6-0,8 MPa pod tłok, połączony ze stołem formierki. Powietrze wywiera nacisk na cylinder wstrząsowy, uginając sprężynę amortyzującą. Ruch cylindra odsłania otwór wylotowy, sprężyna powoduje szybki powrót cylindra i uderzenie o dolną część stołu formierki. Częstotliwość uderzeń od 100 przy dużych maszynach do 1000 i więcej na minutę. Skok wstrząsania wynosi kilka mm. Do zagęszczenia formy wystarcza 40-100 uderzeń.
wstrząsarki z doprasowaniem - j.w. z tym, że forma zostaje najpierw dociśnięta do płyty prasującej;
narzucarki - zasadniczą częścią jest głowica, w której na wale wirującym z prędkością ok. 1500 obr/min znajduje się tarcza wirująca z łopatką. Przenośnik taśmowy podaje w sposób ciągły masę, którą przechwytuje wirująca łopatka i z prędkością ok. 30 m/s narzuca przez otwór wylotowy na model umieszczony w skrzynce pod głowicą. W ten sposób masa jest zagęszczona w formie dość silnie i równomiernie. Głowicę można ustawiać w dowolnym położeniu poziomym względem skrzynki formierskiej.
strzelarki i nadmuchiwarki - są typowymi maszynami do wytwarzania rdzeni. Zasada pracy nadmuchiwarek polega na wprowadzeniu masy rdzeniowej do rdzennicy i jej zagęszczeniu w strumieniu sprężonego powietrza, które jest czynnikiem transportowym i zagęszczającym. Zasada pracy strzelarek polega na wyrzuceniu ze zbiornika masy rdzeniowej, rozlużnionej nagłym, wielostronnym uderzeniem sprężonego powietrza (sfluidyzowanej). W odróżnieniu od nadmuchiwarek powietrze nie jest tu czynnikiem transportowym, tylko wyrzucającym ładunek masy. Ciśnienie sprężonego powietrza 0,6-0,8 MPa (6-8 at). Zagęszczenie masy w rdzennicy trwa 1-4 s. Strzelarka ma zastosowanie do wytwarzania rdzeni ze wszystkich mas rdzeniowych, a szczególnie do wytwarzania rdzeni z mas termo- i chemoutwar-dzalnych, w procesie CO2, gorącej i zimnej rdzennicy i innych.
inne specjalne.
Ze względu na sposób oddzielenia modelu od formy, maszyny formierskie dzielą się na:
formierki trzpieniowe lub ramowe;
z obracanym stołem;
z opuszczanym stołem;
z przerzucanym stołem;
z obracaną kolumną.
SPECJALNE METODY WYTWARZANIA FORM I RDZENI.
Proces CO2 - po zagęszczeniu masy w skrzynce rdzeniowej przedmuchuje się ją CO2 pobieranym bezpośrednio z butli pod ciśnieniem 0,05-0,2 MPa (0,5-2 at). Pod wpływem CO2 następuje bardzo szybkie utwardzenie masy w ciągu 20-60 s. Wiązanie masy polega na rozpadzie krzemianu sodu Na2Si2O5 pod wpływem CO2 na węglan sodu i krzemionkę z niewielkim wydzielaniem ciepła. Rdzenie w tym procesie wykonuje się na strzelarkach zaopatrzonych w stanowiska do utwardzania dwutlenkiem węgla.
Masy cementowe - należą do mas samoutwardzalnych. Składają się z piasku kwarcowego, 8-12% cementu portlandzkiego i 7-10% wody. W formie lub rdzennicy utwardzają się na powietrzu w 24-48 godzin, w zależności od wielkości form i jakości cementu. Stosowane są do dużych form i rdzeni w produkcji jednostkowej i małoseryjnej żeliwa i staliwa. Przez zastosowanie dodatków do mas można skrócić czas wiązania do 8-10 godzin z tym, że już po 40 min. można wyjąć model lub rdzeń z rdzennicy. Do zalet tych mas należą: niski koszt cementu jako spoiwa, duża wytrzymałość po utwardzeniu (formy można zalewać bez skrzynek), mała energia zagęszczania, dokładność wymiarowa. Do wad należą niska jakość powierzchni i silne przywieranie do powierzchni modelu.
Ciekłe Masy Samoutwardzalne - stosowane do form i rdzeni. Masa składa się z piasku kwarcowego, szkła wodnego i żużla chromowego jako utwardzacza, dzięki dodatkom spieniającym uzyskuje na pewien czas konsystencję ciekłą, co umożliwia zalewanie skrzynek formierskich i rdzennic bez konieczności zagęszczania. Masa utwardza się sama pod wpływem zachodzą-cych w jej objętości reakcji chemicznych w czasie 20-40 min. Do wad CMS należy niezbyt dobra wybijalność oraz duża przyczepność do modeli i rdzennic. CMS stosuje się do form i rdzeni dużych odlewów z żeliwa i staliwa.
Proces gorącej rdzennicy - jest stosowany do wytwarzania, szczególnie o cienkich przekrojach rdzeni. Proces polega na napełnieniu rdzennicy podgrzanej do temp. 200-300ºC masą rdzeniową. Rdzennice są wyłącznie metalowe, podgrzewane za pośrednictwem płyt grzewczych, które mogą być podgrzewane elektrycznie lub gazem (rzadziej). Napełnianie rdzennicy odbywa się za pomocą nadmuchiwarek lub strzelarek. Pod wpływem ciepła rdzennicy następuje szybka polimeryzacja spoiwa, powodująca utwardzenie masy rdzeniowej. Dodanie do masy odpowiednich katalizatorów przyspiesza proces utwardzania rdzenia tak, że można go wyjąć z rdzennicy po upływie 5-50 s. Zalety: krótki czas wykonania rdzenia, prostota procesu, łatwość automatyzacji, dokładność i stabilność wymiarowa rdzeni, dość długa żywotność masy (do 2-3 godz.).
Proces zimnej rdzennicy - może być stosowany do form i do rdzeni. Masy żywiczne wykazują dużą wytrzymałość, dobrą jakość powierzchni, bardzo dobrą wybijalność. Stosuje się najczęściej żywice furanowe, natomiast alkilowe, epoksydowe, melaminowe mają zastosowanie do poszczególnych odmian procesu. Procesy zimnej rdzennicy można podzielić na 3 grupy:
wprowadzenie czynnika utwardzającego (katalizatora) do masy w czasie jej przygotowania, zatem utwardzanie rozpoczy-na się w czasie przygotowywania masy. Jest to klasyczny proces zimnej rdzennicy. Sposób przygotowania masy i wypeł-niania nią formy jest dowolny. Parametry procesu zależą od własności żywic i katalizatorów;
wprowadzenie katalizatora do masy po wypełnieniu nią rdzennicy. Katalizator może mieć postać gazową lub ciała rozpylonego do postaci mgły. Żywotność masy może być b. duża, co jest zaletą tej odmiany procesu. Czas utwardzania w rdzennicy powinien być jak najkrótszy, co można osiągnąć przez dodanie odpowiednio aktywnych katalizatorów i odpowiednich żywic;
przygotowanie masy i wypełnienie nią rdzennicy odbywa się w jednym urządzeniu.
Masa składa się z czystego piasku kwarcowego oraz 1-3% żywicy furanowej i katalizatora, najczęściej kwasu fosforowego w ilości 40-60% w stosunku do żywicy. Zawartość zanieczyszczeń w piasku powinna być jak najmniejsza, ponieważ reagują one z katalizatorem, zmniejszając jego zawartość, co pogarsza własności masy. Zawartość lepiszcza nie powinna być większa niż 0,5%. Proces utwardzania składa się z trzech okresów:
spoiwo rozpoczyna polimeryzację pod wpływem katalizatora, lecz piasek nie jest jeszcze związany; okres ten rozpoczyna się w mieszarce, a powinien skończyć się po wypełnieniu rdzennicy masą,
okres wstępnego utwardzania rdzenia, kiedy utwardzanie obejmuje ziarna kwarcu i dochodzi do stanu umożliwiającego wyjęcie rdzenia z rdzennicy,
okres pełnego utwardzenia, zachodzącego po wyjęciu rdzenia z rdzennicy, kiedy jest osiągana maksymalna wytrzymałość.
ZASADY KONSTRUOWANIA ODLEWÓW.
Przy konstruowaniu odlewów należy przeanalizować konstrukcję pod względem:
wytrzymałości i sztywności,
rodzaj stopu odlewniczego,
łatwości wykonania modelu, formy i rdzenia,
możliwości występowania wad odlewniczych w zależności od stopu i metod odlewania,
łatwości i kosztów obróbki mechanicznej
charakterystycznych cech metody odlewania.
Zgodnie z zasadą krzepnięcia kierunkowego, stosowaną do odlewów staliwnych, szybkość krzepnięcia i stygnięcia odlewu powinna się stale zmniejszać w kierunku nadlewu zasilającego, w którym powinna powstać jama skurczowa, jako w części odlewu krzepnącej na końcu.
Krzepnięcie kierunkowe stosuje się do stopów o dużym skurczu odlewniczym, jak staliwo i niektóre stopy metali nieżelaznych, wymagające zasilania nadlewami w czasie krzepnięcia i stygnięcia. Do żeliw stosuję się zasadę krzepnięcia równoczesnego, odznaczającego się tym, że grubość ścianek we wszystkich częściach odlewu jest jednakowa, bez miejscowych zgrubień. Konstrukcja z jednakową grubością ścianek jest bardzo korzystna pod względem wytrzymałościowym. Dobrze skonstruowany odlew powinien mieć jednakowe własności wytrzymałościowe we wszystkich przekrojach. Z tych względów należy unikać dużych różnic w grubościach ścianek, dużych zgrubień materiału i nagłych przejść od grubych do cienkich przekrojów odlewów. Ze względów konstrukcyjnych dobór materiału na odlewy należy przeprowadzać wg:
wskaźników własności wytrzymałościowych wykorzystywanych do obliczeń (Rm, Rc, Rg);
wskaźników własności mechanicznych (E, KC, HB, zdolność tłumienia drgań, odporność na ścieranie);
PROJEKTOWANIE TECHNOLOGII ODLEWÓW.
Do przystąpienia do opracowania procesu technologicznego wykonania wyrobu potrzebne są: -rysunek konstrukcyjny danego wyrobu, - ilość sztuk do wykonania, - powtarzalność, - warunki techniczne, - termin wykonania. Kolejność prac przy projektowaniu procesów technologicznych wykonania odlewów: - analiza technologiczności konstrukcji odlewu, czyli jej zgodność z wymaganiami technologii produkcji. - Opracowanie zagadnień związanych z kształtem odlewu. - Zaprojektowanie układu wlewowego i zasilającego. - Ustalanie sposobu wykonania form i rdzeni. - Zaprojektowanie zespołu modelowego lub formy metalowej. - Opracowanie organizacji pracy. Podział procesu na operacje i czynności. Ustalenie norm czasu roboczego. - Analiza ekonomiczna dotycząca najwłaściwszej odmiany procesu technologicznego. - Wykonanie dokumentacji technologicznej: a)rysunek surowego odlewu, b)rysunek koncepcji technologicznej. C) rysunek zespołu modelowego, d)rysunek formy, e) rysunek oprzyrządowania specjalnego, f) karty technologiczne, operacyjne , prób ,zmian. G)wykaz pomocy warsztatowych, h) normy czasowe i kalkulacyjne, i) warunki techniczne odbioru. - wykonanie próbnych odlewów i ewentualne korekty lub uzupełnienia. Odmiany dokumentacji : - Pełna. Stosowana w produkcji wielkoseryjnej i małoseryjnej, przeważnie przy użyciu oprzyrządowania metalowego. - Uproszczona. Stosowana w produkcji jednostkowej i seryjnej, przy użyciu omodelowania z drewna lub innego tworzywa niemetalowego. Dokumentacja ta obejmuje zestaw rysunków lub szkiców, otrzymanych drogą naniesienia na odbitki rysunku konstrukcyjnego wszystkich elementów niezbędnych do technologicznego przygotowania produkcji. Rysunek surowego odlewu jest to rysunek odlewu opracowany na podstawie rysunku konstrukcyjnego detalu i zawierający odlewnicze oznaczenia technologiczne , takie jak: powierzchnia podziału formy, naddatki na obróbkę skrawaniem , zbieżność i pochylenia formierskie , żebra skurczowe itp. Rysunek koncepcji technologicznej opracowany zostaje w oparciu o rysunek surowego odlewu . Określa on sposób wykonania odlewu przez wprowadzenie danych potrzebnych do wykonania modelu i formy , takich jak: powierzchnia podziału formy, kształt i wymiary rdzeni , układu wlewowego , nadlewów , przelewów itp.
ZALEWANIE FORM, WYBIJANIE, OCZYSZCZANIE I KONTROLA ODLEWÓW.
Są to najcięższe prace, dlatego są zmechanizowane. Formy złożone i obciążone zalewa się ciekłym metalem w położeniu poziomym , pionowym lub ukośnym. W odlewniach zmechanizowanych formy zalewa się na przenośnikach form lub specjalnych stołach rolkowych. Do transportu metalu i zalewania form stosuje się , w zależności od masy odlewu i warunków odlewni , kadzie ręczne , suwnicowe lub podwieszone. Małe formy zalewa się ręcznie kadziami o pojemności 50-70 kg kadź wykonana z blach stalowej wyłożona jest materiałem ogniotrwałym. Aby uniemożliwić przedostawania się żużla do wnęki formy, często kadzie wyposaża się w przegrody. W odlewniach staliwa stosuje się kadzie zatyczkowe , umożliwiające zalewanie metalem znajdującym się na dnie kadzi. Dzięki temu unika się przedostania się żużla do wnęki formy.
Wybijanie odlewów przeprowadza się na kratach wibracyjnych (mniejsze formy) lub na kratach wstrząsowych (większe formy). W wyniku wibracji kraty masa formierska zostaje wybita i skierowana do oczyszczalni w celu usunięcia przypalonego piasku. Na tych urządzeniach tylko część rdzeni ulega wybiciu z odlewu. Do całkowitego usunięcia rdzeni stosuje się specjalne maszyny i urządzenia oparte na zasadzie wibracji.
Do oczyszczania powierzchni odlewów z przywartej masy formierskiej stosuje się najczęściej oczyszczarki wirnikowo-śrutowe, strumieniowo-pneumatyczne i strumieniowo-wodne. Po oczyszczaniu następują operacje wykończenia powierzchni odlewów, polegające na usuwaniu nierówności za pomocą tarcz ściernych. Układy wlewowe odlewów z żeliwa szarego usuwa się za pomocą uderzenia, metali nieżelaznych za pomocą pił tarczowych lub taśmowych, a odlewów staliwnych za pomocą palnika acetylenowo-tlenowego.
Kontrola jakości odlewów. 1.Oględziny zewnętrzne. 2.Sprawdzenie wymiarów , masy , składu chemicznego , właściwości mechanicznych , struktury, szczelności. 3. Badania defektoskopowe.
Odstępstwo odlewu od ustalonych wymagań nazywamy wadą. Niektóre wady mogą być naprawione, inne dyskwalifikują odlew. Wady: kształtu, powierzchni surowej, przerwy ciągłości , wewnętrzne, materiałowe.
Naprawianie wad: prostowanie, czopowanie, tulejowanie, spawanie, lutospawanie, nadlewanie, metalizowanie, uszczelniania.
ODLEWANIE SKORUPOWE.
Masa formierska : piasek kwarcowy , żywica fenolowa w ilości 4-8 % , utwardzacz w ilości 10-12 %. W temp. otoczenia nie zachodzi proces utwardzania masy . Dopiero przy 70-120 C żywica w obecności urotropiny mięknie , przyjmuje postać kleistą , a przy 200-250 C utwardza się w sposób nie odwracalny. Stosuje się dwie metody wykonywania form skorupowych: - proces C , opracowany przez Croninga (1944) -proces D (Dietera). -Proces C. Płytę modelową podgrzewa się do temp. 220-300 C, Na jej część roboczą nanosi się oddzielacz (olej silikonowy , wosk Montana) .Gorącą płytę wraz ze zbiornikiem obraca się o 180 st. I zamocowuje do zbiornika z masą skorupową . Płytę wraz ze zbiornikiem obraca się do jej położenia wyjściowego co powoduje swobodne opadnięcie masy na gorącą płytę modelową . Pod działaniem ciepła masa po 15-20 s ogrzewa się do temp. topnienia żywicy na głębokość 6-20 mm , tworząc warstwę masy przylegającą do płyty . Powstałą półtwardą skorupę wraz z płytą modelową wprowadza się do pieca gdzie w temp. 300-400 C zostaje utwardzona . Po wyjęciu z pieca utwardzoną część półformy zdejmuje się z płyty modelowej i skleja z drugą częścią formy za pomącą kleju mocznikowego. Do zalewania ciekłym metalem części form skorupowych łączy się klejem i ustawia w metalowych skrzyniach wypełniając wolną przestrzeń suchym piaskiem lub śrutem Po zalaniu , w miarę przegrzewania , forma skorupowa rozsypuje się , co zapewnia swobodny skurcz odlewów. Formowanie skorupowe stosuje się do wytwarzania cienkościennych odlewów , o wysokiej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni. Proces może być całkowicie zmechanizowany a nawet zautomatyzowany.
ODLEWANIE KOKILOWE.
Proces wytwarzania odlewów f formach metalowych (kokilach). W procesie tym ciekły metal wypełnia formę pod działaniem siły ciężkości (odlewanie grawitacyjne) lub niskiego ciśnienia <0,2MPa. Kokila jest formą wielokrotnego użytku, umożliwiającą wykonanie od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy odlewów. Kokile wykonuje się z żeliwa szarego perlitycz-nego, z żeliwa sferoidalnego, z żeliwa szarego stopowego niskokrzemowego, ze staliwa węglowego, ze staliwa niskostopowego, z miedzi technicznej (rzadko stosowane ze względu na wysoki kosztwykonania). Kokila odtwarza zewn. kształty odlewu, wewnętrzne są odtwarzane za pomocą rdzeni metalowych lub piaskowych jednorazowego użytku (w przyp., gdy kształty wewnętrzne uniemożliwiają wyjęcie rdzenia metalowego). Ważną czynnością przygotowawczą jest pokrycie przez natrysk powierzchni roboczych kokil cienką warstwą (0,05-0,2 mm) pokrycia izolującego (woda 10-20%, grafit, talk, tlenek chromu, glinki, szkło wodne 4-5%), które po wyschnięciu tworzy warstwę izolującą materiał odlewu od materiału formy. Przed odlewaniem kokilę nagrzewa się do temp. 200-300ºC. Brak przepuszczalności formy wymaga często stosowania w kokili dodatkowych rowków odpowietrzających. Ze względu na wydajność odlewania kokilowego wskazane jest maksymalne skrócenie procesu odlewania. Skrócenie czasu zalewania jest niemożliwe, co wynika z obliczeń układu wlewowego, możliwość skrócenia czasu przebywania odlewu w kokili jest również ograniczona, ze względu na konieczność uzyskania przez odlew odpowiedniej wytrzymałości do momentu wyjęcia z formy. O długości cyklu odlewania decyduje czas stygnięcia kokili. W tym czasie wykonywane są zabiegi technologiczne jak otwarcie kokil, rozbieranie części kokili i rdzeni, wyjmowanie odlewu, oczyszczanie, składanie i zamknięcie kokil oraz ustawianie rdzeni. Czas jednego cyklu 1-10 min, przy mechanizacji zmniejsza się o ok. 20%, przy automatyzacji o ok. 40%. Główne cechy charakterystyczne odlewania kokilowego:
silny wpływ temp. kokili na właściwości i jakość odlewów;
szybkie krzepnięcie i stygnięcie odlewu w formie, co ma wpływ na strukturę i własności odlewów;
sztywność formy utrudniająca skurcz odlewniczy;
brak przepuszczalności formy.
Zalety odlewania kokilowego:
duża dokładność odlewów;
mała chropowatość i czystość pow. odlewów;
możliwość otrzymywania cienkich ścianek odlewów do 2 mm;
drobnoziarnista struktura odlewów;
oszczędność metalu prze zwiększenie uzysku o 10-20%, dzięki oszczędnym ukł wlew i zmniejsz naddatków na obróbkę;
duża wydajność;
wyeliminowanie skrzynek formierskich;
łatwa mechanizacja i automatyzacja.
Odlewanie kokilowe stosuje się powszechnie do stopów metali nieżelaznych (Al., Zn, Cu, Mg). Odlewanie w kokilach żeliwa i staliwa napotyka duże trudności i jest znacznie mniej rozpowszechnione.
ODLEWANIE WG METODY WYTAPIANYCH MODELI.
metoda ta polega na wykonaniu w matrycy ,modeli odlewów i układu wlewowego z ciekłych lub ciastkowych mieszanin wosków lub tworzyw sztucznych, następnie na połączeniu ich w zestawy modelowe, stwarzające podstawę do wykonania nie dzielonej , kilkuwarstwowej formy odlewniczej . Formę wykonuje się z masy ceramicznej , której osnowę stanowi płukany sproszkowany i wyprażony kwarc, cyrkon , szamot , magnezyt itp. a spoiwo -roztwór zhydrolizowanego krzemianu etylu lub szkło wodne . Na zestaw modelowy nanosi się 3-5 warstw masy ceramicznej o grubości 0,3 - 0,7 mm każda. Nakładanie powłoki następuje poprzez zanurzeni zestawu modelowego w masie ceramicznej . Każdą warstwę , po jej naniesieniu posypuje się gruboziarnistym piaskiem kwarcowym. Następnie , wytapia się modele z formy ceramicznej , w gorącej wodzie (80-85 C), parze lub gorącym powietrzu . Po wysuszeniu form umieszcza się je w pojemnikach blaszanych , obsypuje piaskiem kwarcowym lub szamotem i wypala w piecu (ok. 1000 C). Po wypaleniu form , zalewa się je metalem. Podczas wypalania form na ich powierzchniach wewnętrznych powstaje siatka mikropęknięć poprawiając przepuszczalność form i odporność na zmiany dylatacyjne.
ODLEWANIE CIŚNIENIOWE.
Polega na wywieraniu ciśnienia 2-350 MPa na ciekły metal. Maszyny ciśnieniowe dzielą się na:
maszyny z gorącą komorą ciśnienia (powietrzne[40 at], tłokowe) - stosowane do odlewów łatwo topliwych (Zn), pracują przy niższych ciśnieniach od 2 MPa. W maszynie takiej cylinder z komorą ciśnienia jest zanurzony w ciekłym metalu w tyglu pieca grzewczego, który jest częścią składową maszyny. Tłok maszyny przesuwając się wywiera ciśnienie na ciekły metal, który kanałami cylindra przez wlew wypełnia wnękę formy odtwarzającej kształt odlewu. Napęd maszyny jest przeważnie hydrauliczny; w małych maszynach beztłokowych ciśnienie może być wywierane bezpośrednio za pomocą sprężonego powietrza;
maszyny z zimną komorą ciśnienia (wyłącznie tłokowe z komorą ciśnienia poziomą, pionową) - pracują przy ciśnieniach przeważnie 60-350 MPa. Są stosowane do odlewania stopów aluminium, magnezu i miedzi.
Forma ciśnieniowa składa się z dwóch płyt głównych: stałej i ruchomej, w których wykonane są wnęki odtwarzające kształt odlewu. Odlew po rozwarciu formy powinien pozostawać na płycie ruchomej, skąd zostaje usunięty za pomocą wypychaczy. Forma ciśnieniowa pracując w bardzo ciężkich warunkach musi spełniać wiele wymagań:
duża wytrzymałość, mała masa i wymiary, konstrukcja zapewniająca dużą wydajność i prawidłowe doprowadzenie metalu;
Główne zalety odlewania pod ciśnieniem:
bardzo duża dokładność wymiarowa (odchyłki do 0,01 mm);
bardzo dobra chropowatość powierzchni;
możliwość otrzymywania odlewów o cienkich ściankach (0,7-1,0 mm) i skomplikowanych kształtach;
ograniczenie lub wyeliminowanie obróbki skrawaniem;
bardzo duża wydajność (30 -1000 napełnień na godz.), uzysk do 95%;
zmniejszenie pracy oczyszczania odlewów;
drobnoziarnista struktura.
Wady: wysoki koszt oprzyrządowania, długi okres przygotowania produkcji, ograniczona wielkość i masa odlewów, ograniczenie zastosowania.
ODLEWANIE ODŚRODKOWE.
Polega na wprowadzeniu ciekłego metalu do wirującej formy. Ciekły metal pod działaniem siły odśrodkowej odtwarza kształty odlewu i ulega krystalizacji. Odlewy muszą mieć kształt brył obrotowych (rury, tuleje, wałki). Powierzchnia zewnętrzna odlewu jest odtwarzana przez formę, natomiast powierzchnia wewnętrzna jest nieregularna, czyli ukształtowana swobodnie w czasie wirowania formy pod wpływem siły odśrodkowej i siły grawitacji. Odlewanie odbywa się w formach piaskowych, ceramicznych lub metalowych. Rozróżnia się dwie odmiany odlewania odśrodkowego:
oś odlewu pokrywa się z osią wirowania;
formy ustawione promieniowo do osi wirowania, a tylko oś wlewu głównego pokrywa się z osią wirowania.
Odlewy otrzymane tą metodą z formy metalowej mają dużą dokładność wymiarową (do 100 mm odchyłki 0,3-0,4 mm). Przedmioty z form piaskowych do 800 mm mają odchyłki 2-3,5 mm.
Zalety:
lepsze własności wytrzymałościowe o 20-60%, większa twardość, lepsza plastyczność;
polepszenie własności technologicznych i fizykochemicznych (ścieranie, korozja, szczelność, chemia);
zmniejszenie lub wyeliminowanie porowatości, oddzielenie wtrąceń, odgazowanie;
zmniejszenie lub wyeliminowanie układów wlewowych - uzysk 70-80% dla staliwa i żeliwa, >90% dla nieżelaznych;
łatwość wytwarzania odlewów wielowarstwowych;
zwiększenie wydajności.
Wady:
wysoki koszt urządzeń;
wielkość serii musi być większa niż dla odlewania kokilowego ze względu na koszty;
mała uniwersalność urządzeń;
utrudniona mechanizacja.
ODLEWANIE CIĄGŁE.
Polega na wlewaniu ciekłego metalu do trwałej formy zwanej kokilą lub krystalizatorem, w której metal przybiera określone kształty i jest usuwany z drugiej strony formy w sposób ciągły lub skokowy. Otrzymuje się odlewy, których długość wielokrotnie przekracza długość formy. Otrzymywany odlew jest cięty na odcinki w trakcie lub po zakończeniu procesu.
Zasada procesu: krystalizator o kształcie wewn. odpowiadającym wytwarzanemu profilowi umieszczony jest w spodzie pieca tyglowego i stanowi jego wylot zamykany korkiem metalowym. Po napełnieniu tygla ciekłym metalem korek jest wyciągany za pomocą wyciągarki. Masa ciekłego metalu w tyglu wypycha metal przez wylot krystalizatora, który nadaje mu kształty i wymiary. Krystalizator jest intensywnie chłodzony wodą tak, że metal przy wylocie z krystalizatora jest zakrzepnięty na zewnętrznych ściankach profilu, a w środku tworzy się klin ciekłego jeszcze metalu. Wychodzący z krystalizatora profil jest przechwytywany w rolki urządzenia prowadzącego i biegnie po rolkach w sposób ciągły, gdyż ciekły metal w tyglu jest uzupełniany. W odpowiedniej odległości od krystalizatora, gdzie temperatura profilu jest już niska, profil jest cięty na żądane odcinki.
Odlewanie półciągłe oparte jest na tej samej zasadzie z tym, że długość odlewu jest ściśle określona (np.: odcinki rur), bez konieczności cięcia na odcinki.
Zależnie od usytuowania otworu krystalizatora urządzenia do
4.0.ODLEWANIE WLEWKA.
Stal przygotowana w piecu jest w odpowiednim momencie przelewana do kadzi odlewniczej. Dobór właściwego momentu spustu z pieca do kadzi zależy od zakończenia wszystkich procesów metalurgicznych w piecu i osiągnięcia przez stal odpowiedniej temperatury. Po spuście stali z pieca do kadzi następuje określony czas wytrzymania do momentu odlewania. Czas ten zależy przede wszystkim od stosowanej metody odtleniania stali w piecu. W przypadku odtleniania przez zmianę składu chemicznego żużla i dodaniu silnych odtleniaczy nie należy przetrzymywać stali w kadzi, ponieważ nie będzie to miało żadnego wpływu na jej stopień czystości. Odtleniacze powinny być dodawane na strumień metalu w postaci drobnych kawałków, aby szybko rozpuściły się i wymieszały ze stalą. Niektóre odtleniacze dodaje się do kadzi (Al., Ti). W celu ostatecznego zmniejszenia zawartości siarki w wytopie stosuje się rafinację stali żużlem. Udoskonaleniem tej metody jest rafinacja stali żużlami syntetycznymi, które topi się w specjalnym piecu i tuż przed spustem wlewa na dno kadzi. Temperatura stali w chwili rozpoczęcia odlewania powinna leżeć powyżej temp. początku krzepnięcia o 50-100ºC. Do najważniejszych czynników wpływających na tworzenie się dobrego odlewu w formie należą:
-temp. zalewania, płynność stopu oraz zakres temperatur krzepnięcia;
-skurcz w stanie ciekłym, w czasie krzepnięcia i w stanie stałym;
-właściwości materiału formy;
-sposób krystalizacji decydujący o otrzymaniu odpowiedniej struktury odlewu;-właściwości stopu: wytrzymałość w wysokich temp., przewodność cieplna, ciepło właściwe, ciepło krzepnięcia itp.
5.DEFINICJE:
STAL - stop żelaza z węglem o zawartości do 2% C, po odlaniu do formy poddany przeróbce plastycznej;
STALIWO - stal o zawartości zazwyczaj 0,1-0,6% C odlana do formy;
SURÓWKA - wyjściowy stop żelaza z węglem (3-4,5% C) otrzymywany z wielkiego pieca;
ŻELIWO - surówka przetopiona ze złomem żeliwnym lub stalowym i dodatkami (np.: żelazokrzem, żelazomangan) w żeliwiaku;
7.ŻELIWO SZARE.
Jest najbardziej rozpowszechnionym stopem odlewniczym żelaza. Nazwa pochodzi od ciemnego przełomu spowodowanego obecnością grafitu. Własności żeliw szarych zależą od struktury osnowy metalicznej i od postaci grafitu. Pod względem struktury osnowy metalicznej żeliwo szare można podzielić na:
-żeliwo szare ferrytyczne - osnowę stanowi ferryt z licznymi grubymi płatkami grafitu, Rm=100-150 MPa, twardość 100-140 HB, mała odporność na ścieranie. Jest stosowane na armaturę piecową i domową, kształtki, radiatory itp. Skład chem.: węgiel ok. 3,5% wyłącznie w postaci grafitu, krzem 1,8-2,2%;
-żeliwo szare ferrytyczno-perlityczne - osnowa złożona jest z ferrytu i perlitu oraz nieco mniejszych wydzieleń płatków grafitu, Rm=150-200 MPa, twardość 140-180 HB, odpowiednio lepsze inne właściwości; węgiel 3,2-3,5%, w tym węgla związanego w perlicie poniżej 0,8%, krzem 1,6-2%; stosowane na odlewy części maszyn;
-żeliwo perlityczne - wysokojakościowe, strukturę stanowi perlit z drobnymi płatkami grafitu; Rm=300-400 MPa, twardość 180-270 HB, bardzo dobre własności użytkowe; węgiel 3-3,2%, w tym węgla związanego 0,8%, krzem 1,4-1,8%; stosowane jest na odpowiedzialne części maszyn.
Grafit jest najbardziej charakterystycznym składnikiem struktury żeliwa szarego. Nadaje on żeliwu specyficzne własności odróżniające je od stali. Płatki grafitu są czynnikiem osłabiającym wytrzymałość osnowy. Obecność grafitu powoduje również brak plastyczności, małą udarność, mały moduł sprężystości itp. Jednak dzięki grafitowi żeliwo ma:
-najmniejszy spośród wszystkich stopów żelaza skurcz odlewniczy (ok. 1%), co powoduje dobre własności odlewnicze;
-dobrą lejność;
-zdolność tłumienia drgań największą spośród wszystkich stopów odlewniczych, dlatego jest stosowane na łoża obrabiarek;
-dobrą skrawalność;
-dość małą wrażliwość na działanie karbu;
-dobre własności ślizgowe.
Podstawą podziału żeliw szarych na różne gatunki jest ich wytrzymałość na rozciąganie. Znak gatunku składa się z liter Zl oraz liczby 100-350 oznaczającej min. wytrzymałość na rozciąganie w MPa, np.:Zl100, Zl150, Zl200, Zl250. Żeliwa Zl300-Zl350 są wytwarzane jako żeliwa modyfikowane.
9.WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO I SZYBKOŚCI STYGNIĘCIA NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI ŻELIWA.
W czasie krzepnięcia zachodzi przemiana eutektyczna, kształtująca strukturę i własności żeliw. W wyniku tej przemiany, w zależności od szybkości studzenia, żeliwo może krzepnąć w układzie stabilnym lub niestabilnym. Przy zwiększonej zawartości węgla i krzemu oraz fosforu oraz wolnym krzepnięciu i stygnięciu (np. grubościenne odlewy), żeliwo krzepnie w układzie trwałym i powstają wydzielenia węgla w postaci grafitu. Otrzymuje się wówczas żeliwo szare, w którym węgiel związany może znajdować się tylko w perlicie. Przy krzepnięciu w układzie nietrwałym powstają wydzielenia cementytu i żeliwo krzepnie jako białe. Przy składzie na pograniczu żeliwa szarego i białego i odpowiedniej szybkości krzepnięcia żeliwo może krzepnąć częściowo w układzie trwałym. W strukturze obok grafitu znajduje się również węgiel związany w ilości przekraczającej zawartość węgla w perlicie. Żeliwo takie nazywa się żeliwem połowicznym. Nie ma ono zastosowania i jest traktowane jako brak odlewniczy.
Zawartość węgla w czystym stopie żelaza z węglem w punkcie przemiany eutektycznej wynosi 4,25%. W żeliwie, na skutek obecności Si i P, punkt eutektyczny przesuwa się w lewo w kierunku mniejszych zawartości węgla, zazwyczaj <3,5%. Tak więc żeliwo o zastosowaniu przemysłowym jest stopem podeutektycznym i eutektycznym.
10.STALIWO.
Stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, zawierający do 2% węgla, odlewany do form, gdzie krzepnie w postaci odlewu. Od stali odróżnia się gruboziarnistą strukturą, która nie jest zmieniana za pomocą obróbki plastycznej. Zwykle stosuje się staliwa średniowęglowe (0,25-0,45% C). Staliwo dzieli się na:
-staliwo węglowe konstrukcyjne - 0,1-2% C, sumaryczna zawartość Cr, Ni, Mo, Cu do 0,8%, struktura ferryt+perlit, stop podeutektoidalny; dzielą się na zwykłej jakości i wysokiej jakości;
-staliwo stopowe - 0,1-2% C, zawartość chociaż jednego z następujących pierwiastków jest większa od: 1%Mn, 0,6%Si, 0,3%Cr, 0,3%Ni, 0,1%Mo, 0,1%Ti, 0,3%W, 0,1%V, 0,3%Cu; struktura i własności zależne od zawartości pierwiastków stopowych; są wytwarzane jako konstrukcyjne, odporne na korozję, żaroodporne, narzędziowe itp.
Klasyfikacja staliwa węglowego konstrukcyjnego uwzględnia:
-skład chemiczny, wg którego w zależności od zawartości C 0,1-0,6% dzieli się na 6 gatunków;
-właściwości mechaniczne (min. wytrzymałość na rozciąganie w MPa);
-zawartość domieszek, wg której dzieli się na 4 grupy jakościowe w każdym gatunku: I - zwykłej jakości, II - wysokiej jakości, III - najwyższej jakości, IV - o specjalnych własnościach.
Na jakość staliwa ma wpływ również sposób wytopu, dlatego oznacza się:
Z - wytop w piecu elektrycznym lub martenowskim o wyłożeniu zasadowym;
K - j.w. o wyłożeniu kwaśnym;
B - wytop w konwertorze.
W staliwach stopowych po L następuje dwucyfrowa liczba oznaczająca zaw. C w setnych częściach %, po czym literami oznacza się poszczególne składniki stopowe, a liczbami ich zawartości (analogicznie jak w stalach).
Poza tym staliwo można podzielić na nisko-, średnio- i wysokowęglowe. W miarę wzrostu zawartości węgla wzrasta wytrzymałość, granica plastyczności i twardość, pogarszają się natomiast właściwości plastyczne, wydłużenie i udarność. Poza tym wzrost zaw. C powiększa skłonność staliwa do tworzenia jamy skurczowej, wzrost naprężeń własnych i pęknięć na gorąco ale jednocześnie poprawia lejność. Z tych względów najczęściej stosowane jest staliwo średniowęglowe (0,25-0,4% C). Wykonuje się z niego korpusy maszyn, ramy, koła zębate, części maszyn, armatury parowej itp.
Jako materiał lany staliwo ma wszelkie cechy tego stanu: gruboziarnistą strukturę, budowę dendrytyczną, porowatość gazową i skurczową, wtrącenia niemetaliczne. Cechy te nasilają się ze wzrostem temperatury odlewania.
Własności mechaniczne staliwa są niższe niż stali o analogicznym składzie chemicznym, co jest wynikiem znacznej niejednorodności chemicznej i strukturalnej. Podobnie jak stale, staliwa można poddawać obróbce cieplnej, co pozwala na podniesienie ich własności mechanicznych.
12FORMOWANIE RĘCZNE.
Kolejność czynności podczas formowania ręcznego:
1.ustawienie modelu oraz modelików wlewów doprowadzających na oczyszczonej płycie podmodelowej;
2.nałożenie dolnej skrzynki formierskiej i obsypanie modelu pudrem formierskim;
3.nasianie przez sito warstwy 30-50 mm masy formierskiej przymodelowej;
4.wypełnianie skrzynki formierskiej masą wypełniającą;
5.ubijanie masy w skrzynce za pomocą ubijaka ręcznego lub pneumatycznego z dosypywaniem masy wypełniającej;
6.zgarnięcie nadmiaru masy listwą;
7.wykonanie kanałów odpowietrzających metodą nakłuwania;
8.obrócenie wykonanej dolnej połowy o 180º, ustawienie jej w odpowiednio przygotowanym miejscu, wyrównanie gładzikiem powierzchni, ustawienie górnego znaku rdzeniowego, ustawienie na wlewach doprowadzających belki wlewowej i na niej wlewu głównego;
9.ustawienie wg sworzni prowadzących górnej skrzynki formierskiej i obsypanie modelu pudrem formierskim;
10.powtórzenie czynności 4,5,6,7 dla górnej części, następnie wykonanie zbiornika wlewowego i wyjęcie modelu wlewu głównego;
11.zdjęcie górnej połowy formy, obrócenie o 180º i ustawienie obok, następnie delikatne wyjęcie modelu, sprawdzenie przyrządem twardości formy;
12.(w niektórych przypadkach) wstawienie do dolnej połowy formy
rdzenia odtwarzającego kształty wewnętrzne;
13.założenie górnej połowy na dolną wg sworzni prowadzących, ustawienie na formie obciążników;
14.po zalaniu wybicie surowego odlewu z układem wlewowym z formy.
Ręczne wykonywanie rdzeni:
1.oczyszczenie rdzennicy;
2.złożenie połówek rdzennicy, ściągnięcie klamrami i ustawienie w pozycji pionowej;
3.napełnianie rdzennicy masą rdzeniową izagęszczaniez jednoczesnym wstawieniem wzmocnienia w postaci drutu stal.;
4.wykonanie kanału odpowietrzającego nakłuwakiem i usunięcie nadmiaru masy;
5.ostukanie i rozłożenie rdzennicy;
6.ustawienie rdzenia na podkładce do suszenia.
Wyszukiwarka