Podstawy-odlewnictwa.pdf

1.1. Opis procesu odlewania

Odlewnictwo jest jedną z podstawowych technologii wytwarzania przedmiotów odlewów z metali i

ich stopów, a także z innych materiałów, jak np. z bazaltu czy żywic polimerowych. W pracy tej

omówiono tylko odlewnictwo materiałów metalowych (zwanych krócej metalami), którego znaczenie w

przemyśle jest największe. Metodą odlewania wykonuje się przede wszystkim części maszyn (udział

wagowy takich odlewów dochodzi do 80%) w przemyśle samochodowym, lotniczym, okrętowym, maszyn

technologicznych, zbrojeniowym, artykułów gospodarstwa domowego itp. Ponadto technologia ta jest

stosowana w bardzo wielu innych dziedzinach, np. w budownictwie, jubilerstwie, produkcji części

medycznych, tworzeniu dzieł sztuki.

Istnieje olbrzymia różnorodność procesów odlewniczych, jednakże istota wszystkich sprowadza się do

następujących działań (rys. 1.1):

wlania roztopionego metalu do przygotowanej wcześniej formy, mającej wnękę odpowiadającą w

zasadzie kształtowi odlewu,

zakrzepnięcia i częściowego ostudzenia wlanego metalu,

usunięcia odlewu z formy i jego wykończenia.

1.2. Główne zagadnienia występujące w procesach

odlewniczych

Otrzymanie odlewu, spełniającego określone wymagania odnośnie do kształtu, dokładności, struktury

materiału i innych parametrów, wymaga szeregu działań, przebiegających w dwóch zasadniczych etapach:

przygotowanie formy i metalu do zalania,

wykonanie samego odlewu (jak na rys. 1.1).

Przygotowanie metalu

Istota procesu odlewania wymaga, aby metal doprowadzić do stanu ciekłego. Odlewnictwo różni się

jednak tym od innych metod wytwarzania, że materiał wyrobu, tj. stop metali o określonym składzie

chemicznym przeznaczony do wykonania części, nie jest zwykle dostępny (kupowany) w stanie gotowym,

lecz wytwarzany w odlewni bezpośrednio przed wykonaniem odlewu, w procesie zwanym wytopem.

Wytop polega na stopieniu razem określonych surowców i przeprowadzeniu w tak otrzymanej kąpieli

określonych reakcji chemicznych i procesów fizycznych.

Wytop odbywa się w specjalnych piecach topialnych; czasem końcowa jego część przebiega dopiero w

chwili wlewania metalu do formy. Surowce użyte do wytopu, nazywane materiałami wsadowymi lub po

prostu wsadem, zwykle składają się ze stopu podstawowego o składzie zbliżonym do pożądanego dla

gotowego odlewu oraz różnych dodatków metalowych i niemetalowych. Na przykład podstawowym

materiałem wsadowym przy otrzymywaniu żeliwa jest zwykle surówka (stop żelaza i węgla) produkowana

przez huty w postaci sztab, tzw. gąsek. Procesy chemiczne zachodzące podczas wytopu polegają na

reakcjach chemicznych między materiałami wsadowymi lub między składnikiem kąpieli a gazem

aktywnym (np. utlenianie).

Procesy fizyczne to zazwyczaj rafinacja, czyli oczyszczanie stopów z niepożądanych wtrąceń (np.

tlenków) i są przeważnie realizowane przez przedmuchiwanie kąpieli metalowej nieszkodliwym gazem.

Przygotowanie form odlewniczych

Stosuje się dwa podstawowe typy form odlewniczych: trwale i jednorazowe. Formy trwałe wykonuje

się z metalu i służą one do wielokrotnego wykonywania odlewu (lub kilku odlewów przy formach

wielownękowych). Ich budowa ma wiele cech wspólnych z oprzyrządowaniem używanym w innych

technologiach, np. formami wtryskowymi do tworzyw sztucznych czy matrycami stosowanymi w

procesach kucia, a ich trwałość, mierzona liczbą zalań do chwili osiągnięcia niedopuszczalnego stopnia

zużycia, sięga kilkuset tysięcy.

Odlewanie do form jednorazowych dominuje w przypadku stopów żelaza, których udział w całej

produkcji odlewów jest zdecydowanie największy. Formy takie są wykonywane z materiałów

niemetalowych, o dostatecznie dużej odporności na działanie wysokiej temperatury. Najbardziej

rozpowszechnionym materiałem na formy jednorazowe jest piasek kwarcowy z dodatkami powodującymi

wiązanie ziaren między sobą i utwardzenie formy, której nadano odpowiedni kształt jeszcze w chwili,

kiedy materiał był w stanie sypkim lub płynnym. Materiał typu mieszanina piasku kwarcowego z

dodatkami wiążącymi (czasami także innymi dodatkami) jest nazywany masą formierską. W celu

otrzymania bardzo dokładnych form stosuje się inne, droższe materiały, jak mieszanki ceramiczne oraz

gips.

Zgodnie ze swą nazwą, forma jednorazowa jest używana tylko do jednego zalania, a więc wykonania

jednego lub kilku odlewów mieszczących się w niej jednocześnie. Oznacza to, że w odróżnieniu od innych

procesów technologicznych, odlewanie wymaga, oprócz wytwarzania danego wyrobu (odlewu),

równoległego wytwarzania form. Należy zwrócić uwagę na to, że forma składa się przeważnie z kilku

części, czasem z różnych materiałów, co sprawia, że wykonywanie form jednorazowych jest procesem

złożonym. Sam materiał formy jest również prawie zawsze wytwarzany w odlewni, w specjalnych

oddziałach, zwanych stacjami przerobu mas.

Zalewanie formy

Wypełnianie formy ciekłym metalem jest podstawowym działaniem w celu otrzymania odlewu. Struga

ciekłego metalu płynie najpierw w kanałach, zwanych układem wlewowym, a następnie wpływa do wnęki

formy, wypełniając ją całkowicie. Przepływ ten najczęściej odbywa się w wyniku działania tylko sil

ciężkości i wówczas mówimy o odlewaniu grawitacyjnym. Może także zachodzić przy udziale

dodatkowego ciśnienia lub z udziałem sił odśrodkowych, w formach poddanych ruchowi obrotowemu.

Sposób wypełniania formy, jak potwierdzono w praktyce, decydująco wpływa na jakość odlewów;

szacuje się, że aż 8090% problemów odlewniczych jest związanych z niewłaściwym zalewaniem. Zbyt

mała lub zbyt duża prędkość albo temperatura zalewania oraz nieodpowiednio ukształtowane kanały

układu wlewowego mogą być przyczyną wystąpienia wielu wad odlewniczych, takich jak niedolewy

(niewypełnienie wszystkich przestrzeni wnęki formy), zanieczyszczenia wewnętrzne i powierzchniowe

odlewu oraz inne, a także prowadzić do niszczenia form zarówno jednorazowych (przed ich

wypełnieniem), jak i trwałych (przyśpieszone zużycie). Omówienie zjawisk zachodzących przy

wypełnianiu formy i zasady budowy układów wlewowych do zalewania grawitacyjnego zamieszczono w

p. 1.2.

Krzepnięcie odlewu

Krzepnięcie metalu wlanego do formy jest drugim podstawowym elementem procesu niezbędnym do

otrzymania odlewu. Polega on na powstawaniu i wzroście kryształów, które mogą przybierać bardzo różne

kształty, zależnie od składu chemicznego stopu, szybkości i kierunku odbierania ciepła od ciekłego metalu.

W wyniku krystalizacji tworzy się zatem struktura materiału decydująca o własnościach wyrobu.

Podstawowym zjawiskiem występującym w skali makroskopowej przy krzepnięciu jest zmniejszanie

się objętości właściwej stopu, zwane skurczem krzepnięcia. Na rysunku 1.2 pokazano schematycznie

przykładowy przebieg krzepnięcia odlewu w kształcie kostki. W pierwszej fazie tworzy się zakrzepła

warstwa przyścienna. Ponieważ objętość metalu znajdującego się wewnątrz niej po zakrzepnięciu będzie

mniejsza niż cieczy, to po zakrzepnięciu kolejnych warstw zabraknie metalu, co doprowadzi do powstania

w zakrzepłym odlewie przestrzeni pustej, zwanej jamą skurczową. Jama skurczowa zwykle powstaje w

tych miejscach odlewu, które krzepną później niż otaczające je warstwy metalu. Wobec działania sił

grawitacyjnych, sprzyjających spływaniu ciekłego metalu ku dołowi, miejsce jamy skurczowej przesuwa

się jednak zwykle ku górze w stosunku do miejsca najgorętszego (rys. 1.2b).

Wewnętrzna wada skurczowa w odlewie jest z reguły niedopuszczalna. Aby jej zapobiec, wnękę formy

rozbudowuje się, zaopatrując odlewy w dodatkowe elementy, z których metal w czasie krzepnięcia

odlewu przepływa do użytecznej części odlewu w celu skompensowania braków metalu wynikłych

podczas jej skurczu. Taki proces nazywa się zasilaniem, te dodatkowe elementy zaś, w których ostatecznie

lokalizuje się jama skurczowa (rys. 1.3), są zwane nadlewami lub zasilaczami. Nadlewy, podobnie jak

układ wlewowy, odcina się lub odłamuje po usunięciu odlewu z formy.

1.3.1. Odlewanie do form piaskowych o poziomej

płaszczyźnie podziału

Na rysunku 1.4 pokazano typową, gotową formę do przykładowego odlewu z żeliwa o małym skurczu

krzepnięcia, nie wymagającym stosowania nadlewów. Składa się ona z dwóch połówek, górnej i dolnej;

mówimy, że forma taka ma poziomą płaszczyznę podziału. Trzecim składnikiem formy jest rdzeń, tj.

element wykonany z masy piaskowej o dużej wytrzymałości. Większość form piaskowych przygotowuje

się w sposób opisany poniżej.

Połówki formy wykonuje się oddzielnie, przez odwzorowanie kształtu odpowiedniej części wnęki z

modelu odlewu (wraz z układem wlewowym i nadlewami), wykonanego z metalu, tworzywa sztucznego

lub drewna. Typowy przebieg wykonania jednej części formy jest następujący (rys. 1.5):

na płycie modelowej (tj. modelu przymocowanego do płyty podmodelowej) ustawia się skrzynkę

formierską (bez dna, o kształcie ramy);

skrzynkę wypełnia się masą formierską (z pewnym nadmiarem);

masę formierską utwardza się (albo przez silne zagęszczenie, np. prasowanie, albo drogą reakcji

chemicznych zachodzących w dodatkach wiążących ziarna masy ze sobą);

połówka formy zostaje oddzielona od modelu (inaczej mówi się, że model jest usuwany z formy); w

przypadku połówki dolnej obraca sieją następnie o 180°.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: