KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII … · 2018. 4. 9. · • odlewnictwo metali nieżelaznych ciężkich oraz lekkich. Przygotowania do procesu odlewania . METODY

Metody wytwarzania odlewów stopów żelaza i metali nieżelaznych

Wykonanie formy

Metody odlewania

Krzepnięcie metalu w formie

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii

KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski

W 3:

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.

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2

Ze względu na rodzaj metalu

wlewanego do formy:

• odlewnictwo żeliwa,

• odlewnictwo staliwa,

• odlewnictwo metali nieżelaznych

ciężkich oraz lekkich.

Przygotowania do procesu

odlewania

METODY WYTWARZANIA ODLEWÓW


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.

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.

4. Wykonanie rdzeni oddających kształty wewnętrzne. Wykonuje

się je ręcznie według wzorników lub maszynowo.

1 – naddatek, 2 – znaki rdzeniowe, 3 – połówki rdzennicy,

4 – rdzeń, 5 – skrzynki formierskie, 6 – gniazda rdzeniowe,

7 – układ wlewowy

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.

3. Przygotowanie masy formierskiej i

rdzeniowej

7. Wybicie odlewów z form i wstępna obróbka

wykańczająca: usunięcie układów wlewowych i

oczyszczenie odlewów.

6. Przygotowanie ciekłego metalu i zalanie formy.

DOKUMENTACJA TECHNOLOGICZNA


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.

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.

Powierzchnia podziału dzieli odlew,

formę i skrzynkę odlewniczą na dwie lub

więcej części i przebiega ona zasadniczo

przez największy przekrój przedmiotu.

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).

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)


Przy zalewaniu grawitacyjnym rozróżnia się dwa typu układów wlewowych:

• zamknięte - układy ciśnieniowe, spełniają warunek geometryczny

FWG> FWR> FWD

• otwarte - minimalny przekrój dławiący umieszcza

się zazwyczaj na początku wlewu głównego lub

rozprowadzającego:

FWG< FWR< FWD Układ wlewowy oblicza się wychodząc z kryterium

optymalnego czasu zalewania lub jego geometrii.

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.

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 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).

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 formierskie dzielą się na: przymodelowe (świeże) i wypełniające (używane), do

odlewania na sucho i mokro, naturalne i sztuczne.


MASZYNY FORMIERSKIE

Przygotowanie mas formierskich

przeprowadza się na specjalnych urządzeniach i

obejmują one takie czynności jak:

• suszenie

• rozdrabnianie

• przesiewanie

• mieszanie i nawilżanie

• spulchnianie

NARZĘDZIA I PRZYRZĄDY FORMIERSKIE

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

Oprzyrządowaniem modelowym

nazywa się przyrządy, za pomocą

których odtwarza się wnękę formy

odlewniczej:

• modele

• płyty modelowe

• rdzennice


FORMY

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.


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).

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.

Formowanie w gruncie

otwarte

Formowanie w gruncie

pod skrzynką

Elementy obierane


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


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


• 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 (0.4-0.5 MPa)

wywołanej przez gwałtowne spalanie mieszanki gazów palnych

lub pod wpływem sprężonego powietrza, (0.4-0.6 MPa), które

działa jak tłok.



Schemat działania wstrząsarki

pneumatycznej

Zagęszczanie przez wstrząsanie z

doprasowaniem

• Wibracyjne - wykorzystuje się drgania o

częstotliwości 60-100 Hz i amplitudzie 0.5-0.7 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.

Prasowanie za pomocą elastycznej

przepony


Przygotowanie ciekłego metalu

i zalewanie form

Staliwo – techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C oraz innymi pierwiastkami,

odlany do form, nie przerobiony plastycznie.

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.

Staliwa niestopowe – zwykłej i wyższej jakości, Rm = 400-550 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)

ŻELIWO


Żeliwo – stop żelaza z węglem i z innymi

pierwiastkami jak Mn, Si, P, S o zawartości

węgla 2-6.67% stosowany w postaci odlewów.

Żeliwo szare - grafit w postaci płatkowej, Rm

~270 MPa, 3.2÷3.5% C, ~2.2% Si, ~1.2% Mn

Modyfikowane – węgiel żarzenia

Sferoidalne – grafit kulkowy

Wermikularne – grafit krętkowy

Żeliwo białe – węgiel w postaci związanej Fe3C

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).


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.

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%).

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/cm3.

Stosowany na części lotnicze i silniki wyczynowe.

NIEŻELAZNE STOPY ODLEWNICZE

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.

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

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

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


Specjalne metody odlewania

Klasyfikacja odlewów - kryterium rodzaju formy

IV i V

III i IV

II i III

I i II

II i III

I

II i III

II i III

Klasa

dokładności

Odchyłka

[mm]

Klasa chrop.

Ra [m]

I 0.1-0.4 1.6-25

II i III 0.3-0.4 6.3-50

III i IV 0.4-1.2 12.5-100

IV i V 0.7-2 50-200

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 pracy i otoczenia

cena

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.


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,

- 10-12% 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.

ODLEWANIE DO FORM SKORUPOWYCH

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.

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. 220-280 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.

Zalewamy metalem. Proces Croninga

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.

Zalety:

• niskie koszty produkcji (seryjnej)

• dobra jakość powierzchni

• możliwość odlewania kształtów

skomplikowanych

• drobnoziarnista struktura ( wytrzym.)

Wady:

• niemożność uzyskania odlewu

cienkościennego.


W celu otrzymania odlewu dobrej jakości oraz zwiększenia trwałości kokili, pokrywa

się ich powierzchnie ogniotrwałymi powłokami ochronnymi.

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.

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.

1. oczyszczenie powierzchni kokili i rdzeni metalowych,

2. podgrzanie do 150-200 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.

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

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,

Wady:

• wysokie koszty urządzenia, gdyż kokila związana jest z jednym

piecem,

• wyższe koszty eksploatacji (droga instalacja

ciśnieniowa - konieczność częstej

wymiany rur wlewowych).

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.

• z przeciwciśnieniem.

29

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.

30

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.

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 pod

ciśnieniem odśrodkowym Odlewanie odśrodkowe

właściwe

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.

1000 C

Zalety procesu: • zastępowanie drogich odkuwek i obróbki

skrawaniem poprzez odlew precyzyjny, • możliwość uzyskania złożonych kształtów, • możliwość wykonania odlewu z dowolnego

stopu

PRZYKŁADOWA SKRZYNKA FORMIERSKA

Rozmieszczenie poszczególnych elementów

na płycie modelowej

Skrzynka formierska


Czas krzepnięcia

odlewu

Porowatość

skurczowa

odlewu

Odlew z układem

wlewowym i nadlewem Zalewanie odlewu

SYMULACJA KOMPUTEROWA PROCESU ODLEWANIA


Krzepnięcie odlewu


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!!!

KRYSTALIZACJA METALU


Wyróżniamy następujące formy krystalizacji:

Warstwową

Objętościową

Rzeczywistą

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)

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.

Warstwę wierzchnią odlewu (~1.5 mm) charakteryzują następujące elementy:

TWORZENIE WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU


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.

150

100

50

Ch

rop

ow

ato

ść

po

wie

rzc

hn

i [

m]

0.2 0.16 0.1 0.063 0.05

Wielkość ziarna [mm]

Warstwa metalowo-ceramiczna na

powierzchni odlewów staliwnych

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.

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.

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.


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.

KRZEPNIĘCIE ODLEWÓW

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 METALU


Skurcz objętościowy

Skurcz liniowy

V1 / L1 – objętość / długość

wnęki formy

V2 / L2 - objętość / długość

odlewu w temp. pokojowej

Sv =V1 − V2V1

∙ 100%

SL =L1 − L2L1

∙ 100%

Teoretyczny przebieg krzepnięcia

żeliwa szarego o zawartości 3.2% C,

1.8% Si

Skurcz całkowity: staliwa - 5-7%, stopy

aluminium - 3-5%, stopy miedzi - 4-7%

WADY SKURCZOWE


Badania RTG

skoncentrowana rozproszona

Jama skurczowa

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.

Nadlewy górne

Odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego, np. przez dodanie nadstawki,

pozwala na przesunięcie jam i rzadzizn

skurczowych poza obszar właściwego

odlewu i zapewnienie pożądanego

sposobu krzepnięcia.

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 (pm=m•h)

przeciwstawiają się opory przepływu.

TRUDNOŚCI WYPEŁNIANIA FORMY

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 (90-180 dla większości metali), który

zależy od wartości napięć międzyfazowych.

Krawędzie odlewu należy zastąpić promieniami.

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.

NAPRĘŻENIA ODLEWNICZE


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.

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).


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.

WADY ODLEWÓW

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.


WADY KSZTAŁTU

Uszkodzenie mechaniczne

Guz

Niedolew

Zalewka

Przesunięcie formy

Wypchnięcie

WADY POWIERZCHNI

Skóra słonia

Chropowatość - przypalony piasek

Pory na powierzchni Strup

Zimny spaw

Blizny

46

WADY WEWNĘTRZNE

Rzadzizny Wtrącenia niemetaliczne

Pęknięcia na zimno i gorąco

Porowatość

Pęcherze gazowe

Jama skurczowa



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.

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.

49

Wykańczanie odlewów polega na:

• usuwanie elementów układu wlewowego, nadlewów;

• usuwanie wad odlewniczych,

• wstępnej obróbce mechanicznej,

• malowanie, emaliowanie, trawienie.

Zestawienie właściwości odlewniczych


ZESTAWIENIE KOSZTÓW ODLEWANIA


W4 – Obróbka plastyczna na zimno i gorąco,

oraz jej wpływ na strukturę

i właściwości obrabianych materiałów.

Dziękuję za uwagę!

Następne zajęcia :

Prowadzenie: dr inż. Radosław Łyszkowski

Documents

KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII … · 2018. 4. 9. · • odlewnictwo metali nieżelaznych ciężkich oraz lekkich. Przygotowania do procesu odlewania . METODY