WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Transkrypt

1 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII Metody wytwarzania odlewów stopów żelaza i metali nieżelaznych W 3: Wykonanie formy Metody odlewania Krzepnięcie metalu w formie Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski

2 Przygotowania do procesu odlewania Odlewnictwem nazywa się dziedzinę techniki obejmującą wytwarzanie części maszyn lub przedmiotów przez wypełnianie ciekłym metalem odpowiednio przygotowanych form. Otrzymane przedmioty nazywamy ogólnie odlewami, a metodę ich wytwarzania odlewaniem. Metodą odlewania wykonuje się przede wszystkim części maszyn (do 80%) w przemyśle samochodowym, lotniczym, okrętowym, zbrojeniowym itp. Spotykamy ją również wielu innych dziedzinach np. w budownictwie, jubilerstwie, produkcji implantów, itp. Proces odlewania obejmuje następujące etapy: 1) przygotowanie modelu przedmiotu, 2) przygotowanie materiałów formierskich, 3) przygotowanie formy odlewniczej, 4) przygotowanie stopu odlewniczego, 5) zalanie formy ciekłym metalem, 6) krystalizacja metalu w formie, 7) wyjęcie odlewu formy, 8) oczyszczenie i wykończenie odlewu. Ze względu na rodzaj metalu wlewanego do formy: odlewnictwo żeliwa, odlewnictwo staliwa, odlewnictwo metali nieżelaznych ciężkich oraz lekkich. 2

3 METODY WYTWARZANIA ODLEWÓW 3

4 POJĘCIA PODSTAWOWE Najczęściej stosowanym sposobem wykonywania odlewów jest zalewanie ciekłym metalem formy jednorazowej, sporządzonej z masy formierskiej. Formę wykonuje się (najczęściej) z dwóch lub kilku części, aby umożliwić wyjęcie modelu. Formy i rdzenie po ich wykonaniu suszy się, żeby stały się dostatecznie wytrzymałe. Ciekły metal doprowadza się do wnętrza formy kanałami (wykonanymi w czasie formowania), które stanowią tzw. układ wlewowy. Po wypełnieniu formy ciekłym metalem, jego zakrzepnięciu i ostygnięciu wyjmuje się odlew, oczyszcza z zanieczyszczeń i usuwa zbędne dodatki zakrzepłego metalu (układ wlewowy). Proces ten nazywa się wykończaniem odlewu. Wykończony odlew sprawdza się pod kątem wad odlewniczych i wymagań technicznych (odbiór i kontrola jakości). Forma odlewnicza zespół elementów, które po złożeniu odtwarzają kształt odlewanego przedmiotu oraz układu wlewowego. Model element odwzorowania w formie kształtów zewnętrznych odlewu. Rdzenie elementy formy odtwarzające kształty wewnętrzne odlewu. Znaki rdzeniowe - to elementy gniazdowe modelu i rdzenia. Rdzennica przyrząd służący do wykonania rdzenia. Masa formierska i rdzeniowa mieszanina podstawowych i pomocniczych materiałów formierskich służąca do wykonania form jednorazowych i rdzeni. 4

5 ETAPY PROCESU ODLEWNICZEGO 1. Opracowanie dokumentacji technologicznej odlewu - rysunki uwzględniający sposób odlewania i naddatki, układ wlewowy i nadlewy, formę, niezbędne oprzyrządowanie. 2. Wykonanie modelu oddającego zewnętrzne kształty odlewu. Modele wykonuje się przeważnie jako dzielone z drewna, wosku lub tworzywa sztucznego. 3. Przygotowanie masy formierskiej i rdzeniowej 4. Wykonanie rdzeni oddających kształty wewnętrzne. Wykonuje się je ręcznie według wzorników lub maszynowo. 5. Wykonanie i złożenie formy odpowiednio uformowane połówki formy uzupełnia się przygotowanym rdzeniem. W jednej z połówek wykonuje się układ wlewowy, pozwalający na kontrolowane wypełnianie formy roztopionym metalem. 6. Przygotowanie ciekłego metalu i zalanie formy. 7. Wybicie odlewów z form i wstępna obróbka wykańczająca: usunięcie układów wlewowych i oczyszczenie odlewów. 1 naddatek, 2 znaki rdzeniowe, 3 połówki rdzennicy, 5 4 rdzeń, 5 skrzynki formierskie, 6 gniazda rdzeniowe, 7 układ wlewowy

6 DOKUMENTACJA TECHNOLOGICZNA Rysunki konstrukcyjne gotowego wyrobu, koncepcyjne sposobu odlewania, surowego odlewu, zespołu modelowego formy odlewniczej, oprzyrządowania specjalnego. Karty technologiczne, instrukcyjne, kalkulacji wykonania odlewu, prób, warunki techniczne odlewu. Rysunek surowego odlewu powinien zawierać: dane rozpoznawcze (nazwa, nr), tworzywo, miarę skurczową i klasę dokładności, powierzchnię podziału formy odlewniczej, bazy obróbkowe dla wyjściowej operacji obróbkowej, naddatki technologiczne na obróbkę skrawaniem, pochylenia i zbieżności ścian odlewu zgodnie z płaszczyzną podziału formy, dane dotyczące wymiarów, odchyłek i wymagań specjalnych, np. obróbka cieplna, układ wlewowy i nadlewy. Powierzchnia podziału dzieli odlew, formę i skrzynkę odlewniczą na dwie lub więcej części i przebiega ona zasadniczo przez największy przekrój przedmiotu. 6

7 UKŁAD WLEWOWY Układ wlewowy system kanałów wykonanych w formie, w celu doprowadzenia ciekłego metalu do wnęki formy. Dodatkowo powinien on zapewniać oczyszczenia strugi metalu od przypadkowych wtrąceń i zanieczyszczeń (np. żużla) oraz zasilanie krzepnącego odlewu ciekłym stopem (skurcz). Przy zalewaniu grawitacyjnym rozróżnia się dwa typu układów wlewowych: zamknięte - układy ciśnieniowe, spełniają warunek geometryczny F WG > F WR > F WD otwarte - minimalny przekrój dławiący umieszcza się zazwyczaj na początku wlewu głównego lub rozprowadzającego: F WG < F WR < F WD Układ wlewowy oblicza się wychodząc z kryterium optymalnego czasu zalewania lub jego geometrii. Zbiornik wlewowy ZW (1), wlew główny WG (2), wlew rozprowadzający WR (3), oddzielacz (4,5), wlew doprowadzający WD (6), nadlew boczny (7), przelew (8), nadlew górny (9) 7

8 MODELE ODLEWNICZE Model odlewniczy jest przyrządem o kształcie odpowiadającym odlewanemu przedmiotowi, uwzględniającym wielkość skurczu metalu w czasie krzepnięcia. Wszystkie modele można wykonać jako modele dzielone i niedzielone i z częściami odejmowanymi. Do formowania ręcznego, czyli do produkcji jednostkowej i małoseryjnej wykonuje się je z drewna. Znacznie bardziej trwałe są modele metalowe wykonywane najczęściej ze stopów aluminium, miedzi i żeliwa. Modele bezpośrednio odtwarzające kształt odlewu: są to modele bezrdzeniowe (modele naturalne), dzielone lub nie. Modele pośrednio odtwarzające kształt odlewu wymagające stosowania skrzynek rdzeniowych (rdzennic). Modele uproszczone. 8

9 MATERIAŁY FORMIERSKIE Do wykonywania form służą masy formierskie, a rdzeni - masy rdzeniarskie. Masy formierskie składają się z mieszaniny piasków kwarcowych 85-90% - odpowiedniej ziarnistości, gliny ogniotrwałej 5-10% - stanowiącej lepiszcze dodatków 2-6% - zwiększających spoistość masy: melasa, dekstryna, pokost wody 2-5%. Masy formierskie dzielą się na: przymodelowe (świeże) i wypełniające (używane), do odlewania na sucho i mokro, naturalne i sztuczne. Masy formierskie powinny charakteryzować się odpowiednią: plastycznością - zdolnością odtwarzania kształtów, zależną od ilości lepiszcza i wilgoci; spoistością - zdolność do przeciwstawiania się zewnętrznym obciążeniom; przepuszczalnością - zdolnością przepuszczania par i gazów tworzących się podczas wypełniania formy metalem, podatnością - zdolnością do zmiany kształtu pod wpływem skurczu odlewu; ognioodpornością - odpornością na działanie wysokich temperatur. Masy rdzeniarskie muszą się cechować wyższą wytrzymałością i przepuszczalnością niż masy formierskie, co związane jest ze stosowaniem odpowiedniego lepiszcza. Pomocnicze materiały formierskie: lepiszcza, dodatki (pył węglowy, grafit, mączka kwarcowa, pył siarkowy), proszki rozdzielcze (pył kwarcowy, kreda, talk). 9

10 MASZYNY FORMIERSKIE Przygotowanie mas formierskich przeprowadza się na specjalnych urządzeniach i obejmują one takie czynności jak: suszenie rozdrabnianie przesiewanie mieszanie i nawilżanie spulchnianie

11 NARZĘDZIA I PRZYRZĄDY FORMIERSKIE Oprzyrządowaniem modelowym nazywa się przyrządy, za pomocą których odtwarza się wnękę formy odlewniczej: modele płyty modelowe rdzennice Do ręcznego wykonywania formy służą specjalne narzędzia formierskie: do zaformowania modelu w skrzynce lub w podłożu odlewni, do wyjmowania modelu, naprawiania i ostatecznego wykończenia formy. 1,2 - ubijaki duże, 3,4 - ubijaki małe, 5 - ubijak pneumatyczny, 6 - gładziki płaskie, 7 - gładziki krawędziowe, 8 - jaszczurki, 9 - sito, 10 -łopata, 11 - lancet z haczykiem, 12 - haczyk do wyjmowania modelu, 13 - pędzel 11

12 FORMY Formy dzielimy na: jednorazowe - wykonywane najczęściej z piasku półtrwałe - wykonywane z materiałów ceramicznych (grafit, szamot), służą do kilkukrotnego użytku trwałe (kokile) formy wykonywane z metali, wnęka często pokryta jest napyloną cienką niemetaliczną warstewką izolującą, służą do wielokrotnego użytku (kilka, kilkanaście tysięcy cykli). Większości odlewów wykonuje się w skrzynkach formierskich. Stanowią one rodzaj sztywnych ram, sporządzonych najczęściej z żeliwa, blachy stalowej, lekkich stopów, tworzyw sztucznych. Skrzynki te wypełnia się masą formierską. 12

13 FORMOWANIE RĘCZNE Formowanie ręczne obejmuje: formowanie w gruncie, formowanie w skrzynkach, formowanie z modelu niedzielonego, formowanie z modelu dzielonego, formowanie z obieraniem, formowanie z modelu z częściami odejmowanymi, formowanie na fałszywce formowanie z wzornikiem. Elementy obierane Formowanie w gruncie otwarte Formowanie w gruncie pod skrzynką 13

14 FORMOWANIE RĘCZNE 1. Ustawienie modelu na płycie 2. Nałożenie dolnej skrzynki formierskiej 3. Nakładanie masy przymodelowej (30-50mm) 4. Napełnienie skrzynki masą wypełniającą 5. Ubijanie masy w skrzynce 6. Zgarnięcie nadmiaru masy zagęszczonej 7. Kanały odpowietrzające przez nakłuwanie 8. Obrócenie dolnej połowy formy, ustawienie górnego znaku rdzeniowego i elementów układu wlewowego 9. Ustawienie górnej skrzynki formierskiej 10. Wypełnienie masą górnej skrzynki 11. Zdjęcie górnej połowy formy, obrócenie o 180 i kontrola twardości 12. Wstawienie rdzenia do dolnej części formy 13. Montaż formy, jej obciążenie i zalanie ciekłym stopem 14. Wybicie surowego odlewu 14

15 FORMOWANIE MASZYNOWE Formowanie maszynowe przeprowadzane jest na maszynach formierkach, służących do mechanicznego zagęszczania masy i wyjmowania modelu z formy. Dzielimy je na formierki: Z ręcznym ubijaniem masy, Prasujące lub doprasowujące stosowane prawie wyłącznie do form małych i średnich. Skrzynkę napełnioną masą formierską po brzegi ramki nastawczej dociskamy płytą prasującą za pomocą sprężonego powietrza. Prasowanie za pomocą płyty prasującej 15

16 FORMOWANIE MASZYNOWE Narzucarki - metoda łączy wypełnianie formy i zagęszczania masy. Polega na narzucaniu małych porcji masy z dużą prędkością (30m/s). Przeznaczona do form dużych i bardzo dużych o średnim stopniu skomplikowania wnęki formy. Nadmuchiwarki i strzelarki stosowane prawie wyłącznie do rdzeni małych i średnich oraz wstępnego zagęszczania form. Masa rdzeniowa jest porywana i zagęszczania pod wpływem dużej prędkości strumienia masy ciśnieniowej ( MPa) wywołanej przez gwałtowne spalanie mieszanki gazów palnych lub pod wpływem sprężonego powietrza, ( MPa), które działa jak tłok. 16

17 FORMOWANIE MASZYNOWE Wibracyjne - wykorzystuje się drgania o częstotliwości Hz i amplitudzie mm; czas zagęszczania około 10s. Przeznaczona do zagęszczania form średnich i dużych o masach sypkich lub ciekłych. Mieszarko-nasypywarki stosowane do rdzeni, a także form średnich i dużych. Ślimakowe mieszadło dozuje do skrzynki masę formierską, którą należy dogęścić ręcznie lub wibracyjnie. Schemat działania wstrząsarki pneumatycznej Zagęszczanie przez wstrząsanie z doprasowaniem Prasowanie za pomocą elastycznej przepony

18 Przygotowanie ciekłego metalu i zalewanie form Tworzywa odlewnicze - jednymi z najistotniejszych wymagań, obok określonych właściwości eksploatacyjnych, jest zdolność płynięcia, wypełniania i odwzorowywania wnęki formy odlewniczej (lejność) przez płynny metal. Tworzywa odlewnicze dzielimy na stopy żelaza oraz stopy metali nieżelaznych takich jak: stopy Mg, Al, Ti, Cu, Ni, Co, Zn, Pb. Staliwo techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C oraz innymi pierwiastkami, odlany do form, nie przerobiony plastycznie. Staliwa niestopowe zwykłej i wyższej jakości, Rm = MPa, 0.25% C, 1-1.5% Mn, 0.6% Si, P 0.035, S 0.035, Ni + Cr + Cu + Mo + V 1% Staliwa stopowe konstrukcyjne (~1.5% Cr, Mn) - stosowane na silnie obciążone odlewy, dobra wytrzymałość i plastyczność oraz znaczną odporność na zmienne obciążenia odporne na ścieranie (~6.5% Cr, Mn) - s. Hadfielda odporne na korozję (~25% Cr, ~31% Ni, Mo, Cu) żaroodporne i żarowytrzymałe - odporne jest na utlenianie w temperaturach oraz dużą wartość właściwości mechanicznych (~30% Cr, ~40% Ni, ~2.5% Si) narzędziowe (Cr, Ni, Mo, V) 18

19 ŻELIWO Żeliwo stop żelaza z węglem i z innymi pierwiastkami jak Mn, Si, P, S o zawartości węgla % stosowany w postaci odlewów. Żeliwo szare - grafit w postaci płatkowej, Rm ~270 MPa, % C, ~2.2% Si, ~1.2% Mn Modyfikowane węgiel żarzenia Sferoidalne grafit kulkowy Wermikularne grafit krętkowy Żeliwo białe węgiel w postaci związanej Fe 3 C Ciągliwe - plastyczne, wydłużenie do 12%. Żeliwo połowiczne (pstre) węgiel w postaci cementytu i grafitu. Żeliwa stopowe O podwyższonej odporności na ścieranie - Ni, Cr, Al, Si, Mn ( łącznie >20%) Żaroodporne i żarowytrzymałe Cr, Si, Al Odporne na korozję Si, Ni, Cu, Do pracy w niskiej temperaturze (T > 200 C). 19

20 NIEŻELAZNE STOPY ODLEWNICZE Brązy to odlewnicze stopy Cu zawierające powyżej 2% Zn oraz nnymi pierwiastkami (Al, Si, Be, Ni, Mn, Pb). Cynowe na silnie obciążone i narażone na ścieranie elementy maszyn (spiż), Aluminiowe dobra odporność korozyjna śruby okrętowe, Krzemowe nie iskrzą narzędzia w przemyśle petrochemicznym, Ołowiowe b. mały współczynnik tarcia - panewki łożysk ślizgowych, Berylowe b. wysoka wytrzymałość (Rm = 1200 MPa, A = 25%). Mosiądze stopami odlewniczymi są tylko stopy wielofazowe (Cu: ~50% Zn, ~18%Al, 2% Pb, Mn, Fe), ze względu na dobrą odporność korozyjną stosowane są na odlewy armatury i w przemyśle okrętowym. Siluminy to odlewnicze stopy Al zawierające 11-14% Si oraz 5-25% innych pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg i Ni. Mają doskonałe właściwości odlewnicze i mechaniczne. Najczęściej odlewane w kokilach i pod ciśnieniem. 20 Elektron to odlewniczy stopy Mg z 3-11% Al, 5% Zn oraz 0.5% Mn. Charakteryzuje się on bardzo wysoką wytrzymałością (~210MPa) przy gęstości ok. 2 g/cm 3. Stosowany na części lotnicze i silniki wyczynowe.

21 PIECE ODLEWNICZE Rozróżnia się następujące rodzaje pieców: szybowe, tyglowe, płomieniowe, elektryczne: oporowe, łukowe i indukcyjne Jako źródło ciepła wykorzystuje się koks, pył węglowy, gaz opałowy, mazut lub prąd elektryczny. Piec tyglowy

22 KADZIE ODLEWNICZE Kadzie odlewnicze: a) łyżka odlewnicza, b) kadź z widłami, c) kadź suwnicowa otwarta, d) kadź suwnicowa zamknięta, e) kadź przechylna z przegrodą, f) kadź syfonowa (czajnikowa), g) kadź zatyczkowa 22

23 Specjalne metody odlewania IV i V II i III I II i III Klasa dokładności Odchyłka [mm] Klasa chrop. Ra [ m] I II i III III i IV IV i V III i IV II i III Klasyfikacja odlewów - kryterium 23 rodzaju formy I i II II i III O doborze metody wytwarzania odlewu decydują cechy odlewu oraz charakter jego produkcji: materiał odlewu wielkość odlewu (gabaryty, masa) wymagana dokładność wymagana chropowatość seryjność produkcji odlewu wymagana wydajność koszt oprzyrządowania warunki związane ze środowiskiem Wojskowa Akademia pracy Techniczna i otoczenia cena

24 ODLEWANIE DO FORM PIASKOWYCH Formy piaskowe to formy jednorazowe wykonywane z masy formierskiej. Po zalaniu metalem i jego skrzepnięciu, forma jest niszczona w celu usunięcia z niej odlewu. III, IV i V klasa dokładności wykonania odlewów. Formy piaskowe dokładne Formowanie w rdzeniach - do wykonywania odlewów o bardzo skomplikowanych kształtach. Formowanie próżniowe - polega na wiązaniu ziaren czystego piasku za pomocą sił wywołanych stanem trójosiowego ściskania, który powstaje w wyniku różnicy ciśnień - atmosferycznego i obniżonego. Metoda pełnej formy (Lost Foam) - po wykonaniu modelu ze spienionego polistyrenu (styropianu) pokrywa się go powłoką ochronną i umieszcza w skrzynce, gdzie obsypuje się go masą samoutwardzalną lub suchym piaskiem pozbawionym lepiszcza i zagęszcza wibracyjnie. Podczas zalewania styropianowy model ulega stopieniu a następnie zagazowaniu, natomiast metal wypełnia wnękę. 24

25 ODLEWANIE DO FORM SKORUPOWYCH Formowanie skorupowe jest prostą i szybką odmianą odlewania w formie piaskowej. Stosowane do produkcji seryjnej i masowej form i rdzeni odlewów małych i średnich, o wysokich wymaganiach wymiarowych i dobrej gładkości powierzchni. II i III klasa dokładności wykonania odlewów. Masa formierska: - czysty, płukany i drobnoziarnisty piasek kwarcowy, - 4-8% sproszkowanej nowolakowej żywicy fenolowej, % w stosunku do żywicy urotropiny jako utwardzacza, - 0,1% nafty jako środka powodującego lepsze rozprowadzenie żywicy. Masa formierska jest mieszaniną, której utwardzenie zachodzi pod wpływem temperatury. Zalety metody to: możliwość zastosowania do wszystkich stopów odlewniczych, możliwość wykonania odlewu cienkościennego duża gładkość powierzchni formy, duża dokładność wykonania. Wady: wysoki koszt materiałów formierskich, skomplikowane i drogie maszyny do formowania, ograniczona masa odlewu do 100kg. 25

26 FORMY SKORUPOWE Formy składają się z dwóch lub więcej części (skorup) o grubości nieprzekraczającej 6-10mm, wykonanych z piasku kwarcowego otoczonego żywicą termoutwardzalną. Masę nasypuje się na podgrzaną (ok C) płytę modelową. Żywica topi się i spaja ziarna piasku. Obracamy płytę o 180 i usuwamy nadmiar piasku. Utwardzamy warstwę masy 350 C. Łączymy z innymi skorupami. Obsypujemy dodatkowo pisakiem. Proces Croninga Zalewamy metalem. 26

27 ODLEWANIE KOKILOWE Odlewanie kokilowe jest to odlewanie grawitacyjne do form trwałych. Do odlewania metali żelaznych stosujemy kokile wykonane z żeliwa sferoidalnego lub staliwa, a do odlewów z metali kolorowych - kokile z żeliwa szarego. W kokilach mogą być stosowane rdzenie piaskowe do Cu, żeliwa i staliwa, oraz metalowe - do metali nieżelaznych. W celu otrzymania odlewu dobrej jakości oraz zwiększenia trwałości kokili, pokrywa się ich powierzchnie ogniotrwałymi powłokami ochronnymi. Zalety: niskie koszty produkcji (seryjnej) dobra jakość powierzchni możliwość odlewania kształtów skomplikowanych drobnoziarnista struktura ( wytrzym.) Wady: niemożność uzyskania odlewu cienkościennego. 27

28 ODLEWANIE KOKILOWE GRAWITACYJNE Jest stosowane w produkcji masowej. W procesie metal odlewany jest do formy metalowej odtwarzającej kształt zewnętrzny odlewu, wypełniając ją pod działaniem siły ciężkości. II i III klasa dokładności wykonania odlewów. 1. oczyszczenie powierzchni kokili i rdzeni metalowych, 2. podgrzanie do C i naniesienie warstwy pokrycia izolującego, 3. oczyszczenie kokili sprężonym powietrzem i złożenie formy, 4. zalanie kokili ciekłym metalem i zakrzepnięcie odlewu, 5. wyjęcie rdzeni metalowych i rozłożenie kokili, 6. wyjęcie odlewu. Zalety (w stosunku do form piaskowych): większa dokładność wymiarowa i jakość powierzchni. polepszenie struktury odlewów, duża oszczędność materiałów formierskich, łatwość stosowania mechanizacji i automatyzacji, zwiększenie wydajności produkcji, Wady: trudności uzyskania odlewów cienkościennych, znaczne naprężenia cieplne, większą anizotropowość właściwości na przekroju ścianki. 28

29 ODLEWANIE CIŚNIENIOWE Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem forma wypełniana jest pod niewielkim ciśnieniem nie przekraczającym 0.2 MPa. Stosowana tylko do odlewania stopów metali nieżelaznych. Istnieją dwie wersje tego procesu: z nadciśnieniem, z przeciwciśnieniem. Zalety procesu: zmniejszenie lub wyeliminowanie nadlewów, gdyż odlew w czasie krzepnięcia połączony jest z ciekłym metalem w piecu, lepsze niż przy odl. kokilowym grawitacyjnym wypełnienie formy, lepsza lejność metalu wskutek wyższej temperatury, łatwiejsza mechanizacja i automatyzacja procesu. Wady: wysokie koszty urządzenia, gdyż kokila związana jest z jednym piecem, wyższe koszty eksploatacji (droga instalacja ciśnieniowa - konieczność częstej wymiany rur wlewowych). 29

30 ODLEWANIE CIŚNIENIOWE Pod wysokim ciśnieniem - polega na wprowadzeniu metalu do wnęki formy pod ciśnieniem od kilkudziesięciu do kilkuset MPa. Stosowane w masowej produkcja odlewów małych i średnich (do 50 kg), o dowolnym kształcie i bardzo dużych dokładnościach wymiarowych oraz o cienkich ściankach. Najczęściej stosowane jest do odlewania stopów miedzi, ołowiu, aluminium, cyny i cynku. Wyróżniamy maszyny z: gorącą komorą ciśnienia: powietrzne i tłokowe zimną komorą ciśnienia: poziome i pionowe. Główne zalety: dokładne i szybkie wypełnienie wnęki formy, duża gładkość i dokładność wymiarowa odlewów, wysoka wydajność procesu. Wady odlewania ciśnieniowego: wysoki koszt maszyn i oprzyrządowania, trudności w odlewaniu odlewów grubościennych (porowatość), długi czas przygotowania produkcji, ograniczenie do stopów Zn, Al, Mg. 30

31 ODLEWANIE ODŚRODKOWE Polega na użyciu siły odśrodkowej do wypełnienia wnęki formy odlewniczej, a w niektórych odmianach, także do kształtowania jednej z powierzchni odlewu. Zastosowanie: seryjna i masowa produkcja odlewów o kształtach brył obrotowych (rury, tuleje, pierścienie, bębny hamulcowe, obudowy łożysk, koła, wały). II i III klasa dokładności wykonania odlewów. Wyróżniamy odlewanie odśrodkowe: z osią odlewu pokrywa się z osią obrotu w układzie poziomym (L > 1-5D) i pionowym (L < D, ze względu na spływanie w dół ciekłego metalu). pod ciśnieniem odśrodkowym z osią wirowania pokrywającą się z osią wlewu głównego - do odlewów o dowolnych kształtach. Odlewanie odśrodkowe właściwe Odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym

32 ODLEWANIE METODĄ WYTAPIANYCH MODELI Metoda polega na wykonaniu modelu z substancji łatwotopliwej, którą pokrywa się warstwą ceramiczną. Następnie model wytapia się, skorupę wypala i zalewa ciekłym metalem. Zastosowanie do produkcji seryjnej i wielkoseryjnej drobnych odlewów o najwyższej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni - przemysł precyzyjny, zbrojeniowy, narzędziowy. Masa modelowa to mieszanina parafiny, stearyny, cerezyny, kalafoni, wosku pszczelego itp. Masa ceramiczna: sproszkowana mączka kwarcowa, cyrkonowa, szamotowa, mulit, sylimanit oraz spoiwa roztwory na bazie krzemianu etylu lub szkło wodne. Zalety procesu: zastępowanie drogich odkuwek i obróbki skrawaniem poprzez odlew precyzyjny, możliwość uzyskania złożonych kształtów, możliwość wykonania odlewu z dowolnego stopu C

33 PRZYKŁADOWA SKRZYNKA FORMIERSKA Rozmieszczenie poszczególnych elementów na płycie modelowej Skrzynka formierska 33

34 SYMULACJA KOMPUTEROWA PROCESU ODLEWANIA Zalewanie odlewu Odlew z układem wlewowym i nadlewem Krzepnięcie odlewu Czas krzepnięcia odlewu 34 Porowatość skurczowa odlewu

35 Stygnięcie ciekłego metalu i krzepnięcie odlewu Po zalaniu formy ciekłym metalem rozpoczyna się proces krzepnięcia i stygnięcia odlewu. Towarzyszą mu następujące zjawiska: Tworzenie się warstwy powierzchniowej Powstawanie wtrąceń niemetalicznych Tworzenie się pierwotnej struktury odlewu Skurcz metalu Problem temperatury w różnych częściach odlewu!!! 35

36 KRYSTALIZACJA METALU Do najważniejszych czynników wpływających na tworzenie się odlewu w formie należą: temperatura zalania, płynność stopu i temperatura krzepnięcia, skurcz w stanie ciekłym, w czasie krzepnięcia i w stanie stałym, właściwości termofizyczne (przewodność cieplna, ciepło właściwe) i techniczne (wytrzymałość, przepuszczalność) materiału formy, sposób krystalizacji (decyduje o strukturze odlewu), właściwości stopu (wytrzymałość w wysokich temperaturach, przewodność cieplna, ciepło właściwe, ciepło krzepnięcia) Wyróżniamy następujące formy krystalizacji: Warstwową Objętościową Rzeczywistą Struktura pierwotna odlewu jest to struktura, jaką ma metal bezpośrednio po skrzepnięciu. Podczas stygnięcia po skrzepnięciu, mogą zachodzić przemiany w stanie stałym, tworząc zupełnie nową strukturę materiału. Ślady struktury pierwotnej (rozkład zanieczyszczeń) pozostają nadal w materiale i mogą istotnie oddziaływać na jego właściwości. 36

37 Chropowatość powierzchni [ m] TWORZENIE WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU Warstwę wierzchnią odlewu (~1.5 mm) charakteryzują następujące elementy: Chropowatość powierzchni - zależy przede wszystkim od wielkości jego ziarna i jednorodności masy formierskiej. Wzrost stopnia zagęszczenia masy utrudnia jej penetrację przez ciekły metal, a więc poprawia gładkość. Struktura metalograficzna może znacznie różnić się od struktury głębszych warstw odlewu. Wynika to ze zróżnicowanych warunków krystalizacji tworzywa odlewniczego. Typowym przykładem są tzw. zabielenia, czyli miejscowe występowanie węgla w postaci cementytu zamiast grafitu Wielkość ziarna [mm] Wtrącenia - w ciekłym metalu mogą one występować w zawiesinie lub w roztworze. Jeżeli zanieczyszczeniem jest gaz, to podczas krystalizacji powstają pory gazowe; a jeżeli ma postać ciekłą lub stałą, to powstają wtrącenia niemetaliczne. Warstwa metalowo-ceramiczna na powierzchni odlewów staliwnych 37

38 KRZEPNIĘCIE ODLEWÓW Powstawaniu jam skurczowych zapobiega się przez zastosowanie: Krzepnięcia jednoczesnego - zachodzi gdy wszystkie części odlewu krzepną jednocześnie. Uzyskujemy to przez doprowadzanie metalu do najcieńszych fragmentów odlewu lub przez stosowanie ochładzalników. Krzepnięcia kierunkowego - rozpoczyna się w częściach o najmniejszym przekroju, potem w coraz grubszych i kończy się w części najgrubszej (np. w nadlewie) - w niej powinna się znaleźć jama skurczowa. Uzyskanie krzepnięcia kierunkowego zapewniają: właściwa konstrukcja odlewu (równomierna grubość ścianek, brak węzłów cieplnych) właściwy sposób odlewania (w czasie krzepnięcia temperatura w nadlewie powinna być najwyższa, stosowanie zróżnicowanych materiałów formierskich) stosowane do stopów tworzących dużą jamę skurczową. 38

39 SKURCZ METALU Procesowi krzepnięcia i stygnięcia odlewu towarzyszy skurcz metalu, spowodowany zmniejszeniem wymiarów odlewu w stosunku do wymiarów modelu. Jest to związane z: zmianą stanu skupienia wydzielaniem się nowych faz lub przemianami alotropowymi. Skurcz objętościowy S v = V 1 V 2 V 1 100% Skurcz liniowy S L = L 1 L 2 L 1 100% V1 / L1 objętość / długość wnęki formy V2 / L2 - objętość / długość odlewu w temp. pokojowej Skurcz całkowity: staliwa - 5-7%, stopy aluminium - 3-5%, stopy miedzi - 4-7% Teoretyczny przebieg krzepnięcia żeliwa szarego o zawartości 3.2% C, 1.8% Si 39

40 WADY SKURCZOWE Bezpośrednim następstwem skurczu, jest tworzenie się w odlewie jam i rzadzizn, oraz zmniejszenia się wymiarów odlewu. Ich powstawanie musi być uwzględnione zarówno w konstrukcji odlewu jak i przy opracowywaniu technologii jego odlewania. Odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego, np. przez dodanie nadstawki, pozwala na przesunięcie jam i rzadzizn skurczowych poza obszar właściwego odlewu i zapewnienie pożądanego sposobu krzepnięcia. Nadlewy górne Badania RTG Jama skurczowa skoncentrowana rozproszona 40

41 TRUDNOŚCI WYPEŁNIANIA FORMY W trakcie wypełniania formy ciekłym metalem, pojawiają się następujące problemy: 1. Problem niedolewów w wyniku niezdolności do płynięcia metalu. 2. Problem minimalnej grubości ścianki odlewu. 3. Hamowanie przepływu metalu - ciśnieniu metalostatycznemu (p m = m h) przeciwstawiają się opory przepływu. Zdolność do płynięcia metalu w formie zależy od: właściwości metalu (przewodność cieplna, ciepło właściwe i krystalizacji, lepkość) właściwości formy (ciepło właściwe, przewodność cieplna) warunków zalewania formy (temperatura metalu i formy, wysokość układu wlewowego) Mimo, że metal posiada zdolność do płynięcia może nie odtworzyć dokładnie szczegółów (krawędzie, naroża, wnęki). Wiąże się to ze zwilżalnością formy metalem, określaną kątem zwilżalności ( dla większości metali), który zależy od wartości napięć międzyfazowych. Krawędzie odlewu należy zastąpić promieniami. 41

42 NAPRĘŻENIA ODLEWNICZE Stygnięciu odlewu w stanie stałym oprócz skurczu, towarzyszy powstanie naprężeń odlewniczych. Ich przyczyną jest: mechaniczne hamowanie skurczu, związane z różną rozszerzalność cieplna formy i metalu cieplne hamowanie skurczu, związane z nierównomiernym stygnięciem i kurczeniem się części odlewu, przemiany fazowe, którym towarzyszą zmiany objętości. W punktu widzenia mechaniki naprężenia te dzielimy na: naprężenia I rodzaju - w obszarach wymiarowych odlewu (tzw. makroskopowe), są one przyczyną odkształceń i pęknięć w odlewach i noszą nazwę naprężeń własnych lub odlewniczych; naprężenia II rodzaju - równoważne w objętości kryształów; naprężenia III rodzaju - w obszarach sieci krystalicznej. Naprężenia II i III rodzaju wpływają na właściwości mechaniczne tworzywa. Skłonność do tworzenia się naprężeń odlewniczych zależy od właściwości tworzywa oraz rodzaju formy odlewniczej. Ze stopów odlewniczych największą skłonność do tworzenia naprężeń odlewniczych wykazuje staliwo. Większe naprężenia wykazują także odlewy wykonywane w formach metalowych. 42

43 WADY ODLEWÓW Wady odlewnicze dzieli się na: wady dopuszczalne, wady naprawialne, wady dyskwalifikujące odlew. Produkcja odlewów bez pewnej ilości odlewów wadliwych nie jest praktycznie możliwa. Przyjmuje się 2-4% odlewów wadliwych po wprowadzeniu danej technologii i stabilizacji produkcji. Im później w procesie technologicznym odlew jest zabrakowany, tym ponoszone straty są wyższe. Rozróżniamy następujące rodzaje wad odlewniczych: 1. kształtu do których zaliczamy niedolewy, przestawienia, uszkodzenia mechaniczne i zalewki. 2. powierzchniowe surowego odlewu, powodowane masą formierską i jakością formy chropowatość, przypalenia, wżarcia, zaprószenia i zanieczyszczenia, oberwania, zdarcia, wypchnięcia i wady pochodzenia gazowego (pęcherze). 3. przerwy ciągłości czyli pęknięcia na gorąco i na zimno. 4. wewnętrzne porowatość skurczowa, zażużlenia, zapiaszczenia, zabielenia w odlewach żeliwnych i wady struktury żeliwa. 5. materiału stwierdza się poprzez badania metalograficzne wytrzymałościowe, składu chemicznego, (niezgodności z wymaganiami technicznymi). 43

44 WADY ODLEWÓW Zgodnie z dokumentacją normatywną wadą odlewu nazywa się każde odchylenie wymiarów, masy, kształtu, wyglądu zewnętrznego, naruszenie ciągłości materiału, struktury oraz właściwości mechanicznych lub fizykochemicznych od obowiązujących wymagań. Wadę oznacza się symbolem W i numerem wg PN. Przyczyny występowania wad : 1. niewłaściwa konstrukcja odlewu, 2. wadliwa konstrukcja lub wykonanie modelu, 3. niewłaściwy materiał formierski, 4. nieodpowiednie wykonanie formy, 5. niewłaściwe przygotowanie stopu, 6. źle dobrane warunki zalewania formy, 7. niewłaściwie wykonane wybijanie, czyszczenie i wykańczanie odlewu. Główną przyczyną powstawania wad są błędy formy (niewłaściwy materiał formierski, nieodpowiednie wykonanie) oraz warunki jej zalewania. 44

45 WADY KSZTAŁTU Guz Uszkodzenie mechaniczne Niedolew Przesunięcie formy Zalewka Wypchnięcie

46 WADY POWIERZCHNI Blizny Chropowatość - przypalony piasek Zimny spaw Pory na powierzchni Strup 46 Skóra słonia

47 WADY WEWNĘTRZNE Pęcherze gazowe Porowatość Pęknięcia na zimno i gorąco Rzadzizny Wtrącenia niemetaliczne Jama skurczowa 47

48 Usuwanie odlewów z form oczyszczanie i wykańczanie Proces ten obejmuje wszystkie niezbędne zabiegi przeprowadzane w celu otrzymania finalnego produktu. W zależności od metody odlewania może on obejmować: usunięcie układów wlewowych i nadlewów, usunięcie pozostałości masy formierskiej z powierzchni odlewu oraz masy rdzeniowej z wewnętrznych otworów odlewu, usuniecie zadziorów, naprawa wad odlewu, przygotowanie odlewu do obróbki mechanicznej, składania, obróbki termicznej Czynnością początkową jest wybijanie odlewów: ręczne, zmechanizowane - na wstrząsarkach lub kratach wibracyjnych. 48

49 OBRÓBKA WYKAŃCZAJĄCA Oczyszczanie odlewów z cząstek masy formierskiej, przywartej do ścian i wnęk odlewów: grawitacyjne - czyszczenie wskutek uderzania odlewów o siebie bębnowe, strumieniowe - śrut, piasek, woda, grawitacyjno-strumieniowe, specjalne - wibracyjne, ultradźwiękowe, elektrochem. Wykańczanie odlewów polega na: usuwanie elementów układu wlewowego, nadlewów; usuwanie wad odlewniczych, wstępnej obróbce mechanicznej, malowanie, emaliowanie, trawienie. 49

50 Zestawienie właściwości odlewniczych 50

51 ZESTAWIENIE KOSZTÓW ODLEWANIA 51

52 Następne zajęcia : W4 Obróbka plastyczna na zimno i gorąco, oraz jej wpływ na strukturę i właściwości obrabianych materiałów. Dziękuję za uwagę! Prowadzenie: dr inż. Radosław Łyszkowski