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:
tworzywo (zl200, Ak9, B10, Z40) i skurcz
powierzchnia podziału
naddatki: na obróbkę skrawaniem, technologiczne (otwory, nadlewy)
pochylenia i zbieżności
bazy obróbkowe
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)
FWD - suma przekroju wlewów doprowadzających
Q - suma odlewów
s - współczynnik zależy od g (grubość ścianki)
- ciężarowa szybkość zalewania formy
FWD : FBŻ : FWG ⇒ 1 : 1,2 : 1,4
FBŻ - przekrój belki odżużlającej
FBŻ - przekrój wlewu głównego
Proces technologiczny wykonania odlewu w formie piaskowej:
Projekt:
rysunek surowego odlewu
rysunek koncepcji odlewania
Wykonanie zespołu modelowego:
model zasadniczy
modele układu wlewowego
rdzennice
Przygotowanie formy formierskiej (mieszaniny):
osnowa
spoiwo (lepiszcze)
utwardzacze
dodatki specjalne
Wykonanie formy - proces formowania:
ręczne
maszynowe
na automatycznych liniach formierskich
Przygotowanie formy do zalewania ciekłym metalem:
włożenie rdzeni do wnęki formy (gniazda rdzeniowe)
złożenie formy
dociśnięcie górnej skrzynki
Przygotowanie ciekłego metalu - proces metalurgiczny
Zalanie formy - Tzal. > Tkrystal.
Wyjęcie odlewu z formy
Oczyszczenie odlewu i kontrola jakości
ad.7
Tzal. - temperatura metalu wlewanego do formy
Przykład
Tkryst. Al. - 660 ° C
Tzal. 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
TE - temperatura równowagowa
T1 - TE
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
Ceut=4,25-0,35Si-0,35P+0,027Mn-0,45+0,063Cr-0,074Cu
Cc - zawartość całkowita węgla w żeliwie
Ceut = 4,25-0,35(Si+D)%
Rodzaje żeliwa ze względu na współczynnik nasycenia eutektycznego:
- podeutektyczne SC<1 (CC<Ceut)
- eutektyczne SC=1 (CC=Ceut)
- nadeutektyczne SC>1 (CC>Ceut)
Struktura zależy od:
czynników technologicznych
czynników fizyko odlewniczych stopu
Postać grafitu (podział ze względu na postać węgla):
żeliwo białe; C ⇒ Fe3C - krzepnie szybko
połowiczne; C ⇒ grafit + Fe3C - krzepnie średnio szybko
szare; C ⇒ grafit - krzepnie wolno
1,2 - małe zastosowanie
3 - powszechnie stosowane
żeliwo wermikaralne (grafit krętkowy, zwarty)
żeliwo sferoidalne (grafit kulkowy)
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:
Metoda kół wpisanych - polega na wrysowaniu koła o średnicy Dw w domniemany węzeł cieplny i określenia czy ten okrą jest większy o co najmniej 20% od okręgu wpisanego w najgrubszą ściankę przylegającą do węzła.
Metoda izotermy-izosolidusu
Metoda modułów.
Moduł odlewu
V0 - objętość Fstygnięcia - powierzchnia
1,2 moduł odlewów = moduł węzła cieplnego (Mw=1,2M0)
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:
Aluminium + krzem ⇒ siluminy (Si 4 - 21%)
Własności:
małą gęstość
dobre własności odlewnicze
odporne na korozję
dobra obrabialność
AlSi11 Ak11
AlSi9Mg Ak9
AlSi5Cu1 Ak51
Al.-Cu (4 - %%)
Własności:
silne obciążenia
części maszyn (samochody)
AlCu4MgTi AM4
AlCu5 Am5
Al.-Mg - elektrony
Własności:
odporne na korozję
lotnictwo
AlMg10 AG10
AlMg5Si1 Ag51
Stopy cynku
Zn-Al. (znale) ZnAl4 Z40
Zn-Al.-Cu ZnAl28Cu4 Z84
Zn-Mu-Cu
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:
Kokilowe - grawitacyjne
Ciśnieniowe:
niskociśnieniowe 0,,03 - 0,07 Mpa
średniociśnieniowe do 20MPa
wysokociśnieniowe do 350 MPa
Odśrodkowe (do form odśrodkowych) i odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym
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