Formy odlewnicze dzielimy na:

• formy nietrwałe (jednokrotnego użytku) czyli piaskowa

• formy półtrwałe (z szamotu, metalowo-ceramiczne, betonowe)

• formy trwałe (metalowe)

Metody odlewania (uproszczona).

• wykonanie formy

• zalanie formy ciekłym metalem i krzepnięcie metalu w formie

• wybicie odlewu z formy w celu wyjęcia odlewu

• obróbka odlewu

forma odlew

Rysunek formy piaskowej gotowej do zalania

Forma gotowa do zalania ponieważ są na niej ciężarki.

ZW - zbiornik wlewowy (wychwytuje zanieczyszczenia)

WG - wlew górny

BŻ - belka odżużlająca

WD - wlew doprowadzający

Przelew sygnalizuje wypełnienie formy ciekłym metalem, wyprowadzenie zanieczyszczeń gazowych, niemetalicznych.

Forma jest dwuczęściowa, posiada powierzchnie podziału formy.

Wykonana z modelu odlewniczego nie dzielonego (kształt z jednej części formy). Forma z piaskowej masy formierskiej (mieszanina piasku kwarcowego, spoiwa - lepiszczy i wody - utwardzacze oraz dodatki specjalne np. pył węglowy, grafit mielony) w procesie formowania.

Formowanie: ręczne, maszynowe na automatycznych liniach formierskich..

Forma odlewnicza wyposażona jest w układ wlewowy. Układ ten jest to zespół kanałów którego celem jest wypełnienie formy ciekłym metalem.

Zadania do spełnienia przez układ wlewowy:

• doprowadzenie ciekłego metalu do wnęki formy z odpowiednią prędkością

• zatrzymanie zanieczyszczeń niemetalicznych i powietrza

• wywołanie odpowiedniego rozkładu temperatur po zakończeniu zalewania formy (realizacja krzepnięcia jednoczesnego - wlewy doprowadzające skierowane do najcieńszych ścianek odlewu, realizacja krzepnięcia kierunkowego - wlewy doprowadzające skierowane do najgrubszych ścianek)

Klasyczny układ wlewowy składa się z:

• zbiornik wlewowy

• wlew główny

• belka żużlowa (kanał rozprowadzający)

• wlewy doprowadzające

• przelew

Zadaniem przelewu jest sygnalizacja wypełnienia formy ciekłym metalem, wyprowadzenie zanieczyszczeń gazowych i niemetalicznych.

Do wykonania formy jednorazowego użytku musimy przygotować model odlewniczy, projektowany w oparciu o rysunek gotowego wyrobu.

Model odlewniczy wykonujemy z drewna, rzadziej z metalu a najrzadziej z tworzyw sztucznych. Model odlewniczy wykonujemy na podstawie rysunku surowego odlewu.

Właściwy model odlewniczy (ten który przypomina gotowy odlew) jest częścią zestawu modelowego.

W skład zestawu modelowego wchodzą:

• model właściwy (odlewniczy)

• model układu wlewowego

• skrzynka rdzeniowa (rdzennice) - służą do wykonania rdzenia formierskiego

rdzenie formierskie - służą do odwzorowania wewnętrznych powierzchni odlewu

Rysunek surowego odlewu powinien zawierać:

1. tworzywo (zl200, Ak9, B10, Z40) i skurcz

2. powierzchnia podziału

3. naddatki: na obróbkę skrawaniem, technologiczne (otwory, nadlewy)

4. pochylenia i zbieżności

5. bazy obróbkowe

6. układ wlewowy

skurcz odlewniczy:

• żeliwo 1%

• stopy metali nieżelaznych 0,5%

• staliwo 1,5%

ad B. powierzchnia podziału modelu pozwala na przeprowadzenie procesu formowania (wyjęcie modelu z formy)

ad C. naddatki technologiczne (np. otwory uwaga mniejsze niż φ15 nie wykonuje się)

nadlewy są to naddatki służące do usuwania jam skurczowych z odlewów

ad D. pochylenia odlewnicze (<3°) stosuje się na wszystkich powierzchniach modelu teoretycznie prostopadłych do powierzchni podziału modelu, umożliwiają wyjęcie modelu z formy bez uszkodzenia wnęki formy, zależy od wielkości odlewu

Koncepcja odlewania.

(dla żeliwa)

F_WD - suma przekroju wlewów doprowadzających

Q - suma odlewów

s - współczynnik zależy od g (grubość ścianki)

- ciężarowa szybkość zalewania formy

F_WD : F_BŻ : F_WG ⇒ 1 : 1,2 : 1,4

F_BŻ - przekrój belki odżużlającej

F_BŻ - przekrój wlewu głównego

Proces technologiczny wykonania odlewu w formie piaskowej:

1. Projekt:

• rysunek surowego odlewu

• rysunek koncepcji odlewania

2. Wykonanie zespołu modelowego:

• model zasadniczy

• modele układu wlewowego

• rdzennice

3. Przygotowanie formy formierskiej (mieszaniny):

• osnowa

• spoiwo (lepiszcze)

• utwardzacze

• dodatki specjalne

4. Wykonanie formy - proces formowania:

• ręczne

• maszynowe

• na automatycznych liniach formierskich

5. Przygotowanie formy do zalewania ciekłym metalem:

• włożenie rdzeni do wnęki formy (gniazda rdzeniowe)

• złożenie formy

• dociśnięcie górnej skrzynki

6. Przygotowanie ciekłego metalu - proces metalurgiczny

7. Zalanie formy - T_zal. > T_krystal.

8. Wyjęcie odlewu z formy

9. Oczyszczenie odlewu i kontrola jakości

ad.7

T_zal. - temperatura metalu wlewanego do formy

Przykład

T_kryst. Al. - 660 ° C

T_zal. Al. - 720 ° C

Procesy fizyczne przy krzepnięciu odlewów:

• krystalizacja (zarodkowanie + wzrost kryształów)

• krzepnięcie (przechodzenie cieczy w ciało stałe z analizą warunków cieplnych)

• skurcz

1 - krzywa energii swobodnej cieczy

2 - krzywa energii swobodnej caiła stałego

T_E - temperatura równowagowa

T₁ - T_E

Wytwarzanie się ciała stałego w ciekłym:

• zarodkowanie homogeniczne - powstanie ciała stałego poprzez utworzenie atomów bliskiego uporządkowania (atomy przypominają strukturę ciała stałego) - tylko w warunkach laboratoryjnych

• zarodkowanie heterogeniczne - tworzenie ciała stałego na podłożu (np. ścianki, wtrącenia, zanieczyszczenia)

Rodzaje kryształów:

• kolumnowe (słupkowe)

• dendrytowe

• równoosiowe (globu lityczne)

Kolumnowe i dendrytyczne kryształy powstają przy dużej różnicy temperatur pomiędzy osią odlewu a powierzchnią zewnętrzną, a równoosiowe powstają przy małej różnicy.

Strefy krzyształów:

1 - strefa kryształów zamrożonych

2 - strefa kryształów kolumnowych (mogą być dendrytyczne)

3 - strefa kryształów równoosiowych

a) forma metalowa

• szybko odprowadza ciepło

• kryształy kolumnowe

b) forma piaskowa

• wolno odprowadza ciepło

• kryształy równoosiowe

struktura trans krystaliczna - kryształy kolumnowe

Proces krzepnięcia dzielimy na:

• warstwowe

• objętościowe

Warstwowe powstają przy dużej różnicy temperatur w odlewie.

Objętościowe przebiega przy małej różnicy temperatur pomiędzy osią odlewu a powierzchnią zewnętrzną.

Sposoby krzepnięcia zależą od:

• ilości składników i składu chemicznego

• efektywności zarodków krystalizacji

• szybkości odprowadzanego ciepła

• ruchy konwekcyjne

Zjawiska skurczu

Skurcz

/ \

Swobodny Hamowany

| |

pustki naprężenia

(jamy skurczowe) |

odkształcenia

|

pęknięcia

Hamowanie skurczu może być:

• mechaniczne

• cieplne - wynik różnej grubości ścianki w odlewie (różnej szybkości oddawania cieoła)

Stopy stali

• żeliwo szare 59%

• żeliwo sferoidalne

Wsad:

• ruda żelaza

• koks jako paliwo

• topniki

• gorące powietrze (gaz)

Produkty

• surówka wielkopiecowa

• żużel

• gaz wielkopiecowy

Surówka wielkopiecowa

/ \

Proces stalowniczy Proces odlewniczy (staliwo)

| |

- piece martenowskie, konwektory - piec martenowski

| - konwektor

Odlewać stal do wlewnic (wlewki) - piec elektryczny - łukowy

i będą przerabiane - piec indukcyjny

- procesy AOD I VOD

|

odlewanie stali do form - wykańczanie odlewów

staliwnych

Odlewnictwo żeliwa

Wsad:

• surówka wielkopiecowa

• dodatki stopowe

• złom żeliwny

• złom stalowy

• żelazostopy (FeSi, FeCa)

• modyfikatory (polepszacze)

• odtleniacze

• topniki

Piece:

• żeliwniak

• piece elektryczne

- łukowe

- indukcyjne

- oporowe

• piece płomienne

• piece w zestawie duplex

Produkt podstawowy: żeliwo

• białe

• szare

• połowienne

• ferrytyczne

• perlityczne

• ferrytyczno - perlityczne

Właściwości odlewnicze stopów metali (na przykładzie żeliwa):

• lejnośc (spirala lejności) - zdolność do wypełniania formy

• skłonność do grafityzacji (tylko żeliwo)

• skurcz odlewniczy

• skłonność do tworzenia jam skurczowych i chropowatości

• skłonność do powstawania naprężeń

• wrażliwość na grubość ścianki

Żeliwo (stop żelaza z węglem Si, Mn, P, S)

Stopień nasycenia eutektycznego

C_eut=4,25-0,35Si-0,35P+0,027Mn-0,45+0,063Cr-0,074Cu

C_c - zawartość całkowita węgla w żeliwie

C_eut = 4,25-0,35(Si+D)%

Rodzaje żeliwa ze względu na współczynnik nasycenia eutektycznego:

- podeutektyczne S_C<1 (C_C<C_eut)

- eutektyczne S_C=1 (C_C=C_eut)

- nadeutektyczne S_C>1 (C_C>C_eut)

Struktura zależy od:

• czynników technologicznych

• czynników fizyko odlewniczych stopu

Postać grafitu (podział ze względu na postać węgla):

1. żeliwo białe; C ⇒ Fe₃C - krzepnie szybko

2. połowiczne; C ⇒ grafit + Fe₃C - krzepnie średnio szybko

3. szare; C ⇒ grafit - krzepnie wolno

1,2 - małe zastosowanie

3 - powszechnie stosowane

4. żeliwo wermikaralne (grafit krętkowy, zwarty)

5. żeliwo sferoidalne (grafit kulkowy)

6. żeliwo cięgliwe (węgiel żarzenia)

Podział ze względu na osnowę:

• ferrytyczna

• ferytyczno-perlityczna

• perlityczna

Ferryt - roztwór stały C w Fe

• biały na zgładzie

• mało wytrzymały, plastyczny HB=60

Perlit - mieszanina eutekt. Cementu

• najlepszy składnik struktury żeliwa

Austenit - organ. Roztwór stały C w Fe, plastyczny

Postacie grafitu:

• płatkowy

• ziarnowy

• kulkowy

Żeliwo sferoidalne otrzymane poprzez dodanie sferoidy zatorów (Mg, Ce zaprany FeSiMgS, FeS, MgSCaCe)

• wytop żeliwa wyjściowego

• odsiarczenie poniżej 0,1%

• modyfikacja FeSi78

Metoda zalewania

• dzwonowa

• zalewania

• prętowa (lub drutowa)

Oznaczamy je Zs370IS

Numer to Rmmin., a ostatnie litery wydłużenie względne As

l=Sd₀

Żeliwo ciągliwe:

• białe W 350-04

• czarne B300-06

• perlityczne

Żeliwo ciągliwe powstaje w procesie wyżarzania żeliwa białego.

Zasady konstruowania odlewów

Odlew dzielimy na:

• ścianki

• węzły cieplne

Węzeł cieplny jest to zgrubienie w odlewie lub połączenie ścianek które krzepnie ostatnie. W węźle cieplnym powstaję:

• jamy skurczowe

• makro rzadzizny

• mikro rzadzizny

Rodzaje węzłów cieplnych:

• typu L

• typu V

• typu X

• typu T

• typu Z

Sposoby określania węzłów cieplnych:

1. Metoda kół wpisanych - polega na wrysowaniu koła o średnicy D_w w domniemany węzeł cieplny i określenia czy ten okrą jest większy o co najmniej 20% od okręgu wpisanego w najgrubszą ściankę przylegającą do węzła.

2. Metoda izotermy-izosolidusu

3. Metoda modułów.

Moduł odlewu

V₀ - objętość F_stygnięcia - powierzchnia

1,2 moduł odlewów = moduł węzła cieplnego (M_w=1,2M₀)

4. Metoda komputerowa

Dobór kształtu odlewu może się odbywać stosując krzepnięcie jednoczesne lub krzepnięcie kierunkowe.

Krzepnięcie jednoczesne polega na takim doborze kształtu odlewu aby czas krzepnięcia poszczególnych elementów był prawie taki sam. Krzepnięcie jednoczesne realizujemy w odlewach przy mało zróżnicowanej grubości ścianki w odlewach cienkościennych i w odlewach ze stopów o niskim lepiszczu (żeliwo szare, brąz, stopy magnezu). Krzepnięcie jednoczesne realizujemy przez stosowanie ochładzalników lub poprzez zmianę konstrukcji odlewów.

Krzepnięcie kierunkowe realizowane jest w odlewach wykonywanych ze stopów o dużym skurczu w odlewach o zróżnicowanej grubości ścianki. Polega na takim ukształtowaniu odlewu aby najpierw krzepły ścianki najciększe później grubsze a na końcu najgrubsze.

Dobór kształtu odlewu ze względu na krzepnięcie kierunkowe realizujemy:

• konstrukcyjnie

• stosowanie nadlewów

• stosowanie ochładzalników

Ochładzalniki mogą być wewnętrzne i zewnętrzne. Najczęściej są to metalowe elementy zamocowane na powierzchni wnęki formy.

Często stosowane przy krzepnięciu kierunkowym nadlewy i ochładzalniki razem.

Objętość nadlewu możemy obniżyć poprzez stosowanie jeszcze podgrzewanie nadlewu (stosując zasypki egzotermiczne, otuliny, zalewanie przez nadlew).

Zasięg działania nadlewu

Zasięg działania nadlewu wynosi 4,5 grubości ścianki.

Staliwo jest to stop żelaza z węglem (<2%)

Staliwo

Węglowe konstrukcyjne Stopowe

niestopowe konstrukcyjne do pracy w podwyższonej temp.

niskostopowe odporne na korozje

żarowytrzymałe i żaroodporne

odporna na zużycie ścierne

Plastyczność

Re Rmin

200 - 400 W (dla niskostopowych)

stopowe L20G-L35HGS

M-molibden

H-chrom

G-magnez

S-krzem

N-nikiel

F-manad

T-tytan

Metale nieżelazne:

1. Aluminium + krzem ⇒ siluminy (Si 4 - 21%)

Własności:

• małą gęstość

• dobre własności odlewnicze

• odporne na korozję

• dobra obrabialność

AlSi11 Ak11

AlSi9Mg Ak9

AlSi5Cu1 Ak51

2. Al.-Cu (4 - %%)

Własności:

• silne obciążenia

• części maszyn (samochody)

AlCu4MgTi AM4

AlCu5 Am5

3. Al.-Mg - elektrony

Własności:

• odporne na korozję

• lotnictwo

AlMg10 AG10

AlMg5Si1 Ag51

4. Stopy cynku

Zn-Al. (znale) ZnAl4 Z40

Zn-Al.-Cu ZnAl28Cu4 Z84

Zn-Mu-Cu

5. Stopy miedzi

Brąz ⇒ Cu-Sn (3 - 11%), Al., Si, Ni, Pi

brący cynowe:

CuSn10 B10

CuSn10P B101

brązy bezcynowe:

BA1032 CuAl10Fe3M42

Bk331 CuSi3Zn3M42

Mosiądz ⇒ Cu-Zn (46 - 81%)

Odlewanie do form trwałych:

1. Kokilowe - grawitacyjne

2. Ciśnieniowe:

• niskociśnieniowe 0,,03 - 0,07 Mpa

• średniociśnieniowe do 20MPa

• wysokociśnieniowe do 350 MPa

3. Odśrodkowe (do form odśrodkowych) i odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym

4. Odlewanie ciągłe np. stali (COS), półciągłe

1-piec grzewczy

2-tygiel

3-materiał odlewany

4-krystalizator

5-forma metalowa

6-odlew

7-rolki urządzenia ciągnąco-prowadzącego

Odlewanie odśrodkowe - zalewanie formy odlewniczej będącej w ruchu obrotowym (formy metalowe lub metalowo-ceramiczne).

Zalety:

• wzrost Rm o 20-60%

• ograniczenie wad typu skurczowego

• eliminowanie układu wlkewowego

• eliminowanie rdzenia

• naddatki na obróbkę o 9-20% mniejsze

Wady:

• odlewy o prostym kształcie

• segregacja

Odlewanie ciśnieniowe (przyrost masowy):

Zalety:

• duża wydajność [500 zalań/h]

• b.dobre odwzorowanie kształtu

• duży uzysk - mały układ wlewowy

• cienki ścianki <1 mm, naddatki 0,3-0,5 mm

Wady:

• kształt i wielkość odlewu masa

• drogie maszyny

• min. 3000-4000 odlewów na formę

• drogie formy

Maszyna do odlewania ciśnieniowego i forma są bardzo kosztowne. Wykonuje się odlewy ze stopów lekkich (aluminium) rzadziej ze stopów ciężkich.

Odlewanie niskoćiśnieniowe:

• większy uzysk o 90%

• większe Rm

• lepsze odwzorowanie kształtu

• możliwości stosowania rdzeni

• niskie koszty oprzyrządowania w porównaniu z wysokociśnieniowym

Maszyny do odlewania pod ciśnieniem mogą być gorąco i zimno komorowe.

Odlewanie kokilowe polega na wypełnieniu formy metalowej ciekłym metalem w sposób grawitacyjny

Cykl zalewania:

• podgrzanie kokili

• nałożenie pokrycia ceramicznego (ochrony)

• ulanie metalu

• krzepnięcie i stygnięcie

• usunięcie odlewu z formy

W formach kokilowych możemy stosować poziomą i pionową powierzchnie podziału lub wielodzielna. Może posiadać rdzenie metalowe lub ceramiczne. Forma metalowa może być niechłodzona lub chłodzona wodą lub powietrzem. Jakość odlewów wykonywanych w formach trwałych charakteryzuje się dużo większą gładkością powierzchni niż odlewy wykonane w formach piaskowych.

Gładkość: 20-30

Kokilowe 20-80

Ciśnieniowe 1-20

Q

Q

ciężarki

przelew

wnęka formy

otwory odpowietrzające

sworzeń centrujący

masa formierska

G

D

skrzynka formierska

ucha z otworami

ZW

BŻ

WD

WG

<3

zalania

krystalizacji

otaczania

przegrzania

Temperatura

Czas

Jama skurczowa

Zastosowanie ochładzalników

Zmiana konstrukcji

Jama skurczowa

2g

2,5g

g

Porowatość osiowa

NL

Zasięg działania nadlewu

Zasięg działania efektu brzegowego

4g

4,5g

NL

NL

H₂O

1

2

3

4

5

6

7

---