Odlewanie metali -Metal casting

Stopiony metal przed odlewaniem
Żeliwo w formie piaskowej

W obróbce metali i tworzeniu biżuterii odlewanie jest procesem, w którym ciekły metal jest dostarczany do formy (zwykle w tyglu ), która zawiera odcisk negatywu (tj. trójwymiarowy negatyw) zamierzonego kształtu. Metal jest wlewany do formy przez wydrążony kanał zwany wlewem . Następnie metal i forma są schładzane, a część metalowa ( odlew ) jest wyjmowana. Odlewanie jest najczęściej używane do wykonywania skomplikowanych kształtów, których wykonanie innymi metodami byłoby trudne lub nieekonomiczne.

Procesy odlewania są znane od tysięcy lat i były szeroko stosowane w rzeźbie (zwłaszcza w brązie ), biżuterii z metali szlachetnych oraz broni i narzędziach. Zaawansowane technologicznie odlewy znajdują się w 90 procentach dóbr trwałego użytku, w tym w samochodach, ciężarówkach, przemyśle lotniczym, pociągach, sprzęcie górniczym i budowlanym, szybach naftowych, urządzeniach, rurach, hydrantach, turbinach wiatrowych, elektrowniach jądrowych, urządzeniach medycznych, produktach obronnych, zabawkach i więcej.

Tradycyjne techniki obejmują odlewanie metodą traconego wosku (które można dalej podzielić na odlewanie odśrodkowe i odlewanie bezpośrednie wspomagane próżniowo ), odlewanie w formach gipsowych i odlewanie w piasku .

Współczesny proces odlewania dzieli się na dwie główne kategorie: odlewanie jednorazowe i odlewanie jednorazowe. Jest dalej rozkładany przez materiał formy, taki jak piasek lub metal, oraz metodę odlewania, taką jak grawitacja, próżnia lub niskie ciśnienie.

Nieekonomiczne odlewanie form

Jednorazowe odlewanie form to ogólna klasyfikacja obejmująca formy piaskowe, plastikowe, skorupowe, gipsowe i inwestycyjne (technika traconego wosku). Ta metoda odlewania form polega na wykorzystaniu tymczasowych, jednorazowych form.

Procesy odlewania.svg

Odlewanie piasku

Odlewanie w piasku jest jednym z najpopularniejszych i najprostszych rodzajów odlewów, stosowanym od wieków. Odlewanie w piasku pozwala na mniejsze partie niż odlewanie w formach stałych i przy bardzo rozsądnych kosztach. Ta metoda nie tylko pozwala producentom tworzyć produkty przy niskich kosztach, ale odlewanie w formach piaskowych przynosi inne korzyści, takie jak operacje na bardzo małych rozmiarach. Proces ten pozwala na odlewy na tyle małe, że mieszczą się w dłoni, na tyle duże, że mieszczą się w łóżku wagonu (jeden odlew może stworzyć całe łóżko dla jednego wagonu). Odlewanie w piasku umożliwia również odlewanie większości metali w zależności od rodzaju piasku użytego do form.

Odlewanie w formach piaskowych wymaga kilku dni, a czasem nawet tygodni, w przypadku produkcji z dużą wydajnością (1–20 sztuk/godz. formy) i nie ma sobie równych w przypadku produkcji dużych części. Zielony (wilgotny) piasek, który jest koloru czarnego, prawie nie ma limitu masy części, podczas gdy suchy piasek ma praktyczny limit masy części wynoszący 2300–2700 kg (5100–6 000 funtów). Minimalna masa części wynosi od 0,075 do 0,1 kg (0,17 do 0,22 funta). Piasek jest wiązany za pomocą glin, spoiw chemicznych lub spolimeryzowanych olejów (takich jak olej silnikowy). Piasek może być wielokrotnie poddawany recyklingowi w większości operacji i wymaga niewielkiej konserwacji.

Formowanie gliny

Formowanie gliny zostało wykorzystane do produkcji dużych symetrycznych przedmiotów, takich jak armaty i dzwony kościelne. Ił to mieszanka gliny i piasku ze słomą lub łajnem. Model produkowanego materiału formowany jest z kruchego materiału (koszulka). Forma jest formowana wokół tej koszulki poprzez pokrycie jej gliną. To jest następnie pieczone (wypalane) i koszulka usuwana. Forma jest następnie ustawiana pionowo w jamie przed piecem w celu wylania stopionego metalu. Następnie forma jest odłamywana. Formy można zatem użyć tylko raz, więc w większości przypadków preferowane są inne metody.

Odlew gipsowy

Odlewanie gipsowe jest podobne do odlewania piaskowego, z wyjątkiem tego, że zamiast piasku jako materiału formy stosuje się gips modelarski. Ogólnie rzecz biorąc, przygotowanie formy zajmuje mniej niż tydzień, po czym osiąga się wydajność produkcji 1–10 jednostek / godzinę formy, przy przedmiotach o masie od 45 kg (99 funtów) do zaledwie 30 g (1 uncja) z bardzo dobrym wykończeniem powierzchni i wąskimi tolerancjami . Odlewanie gipsowe jest niedrogą alternatywą dla innych procesów formowania skomplikowanych części ze względu na niski koszt gipsu i jego zdolność do wytwarzania odlewów o kształcie zbliżonym do netto . Największą wadą jest to, że można go używać tylko z materiałami nieżelaznymi o niskiej temperaturze topnienia, takimi jak aluminium , miedź , magnez i cynk .

Formowanie skorupy

Formowanie skorupowe jest podobne do odlewania piaskowego, ale wnęka formująca jest utworzona przez utwardzoną „skorupę” piasku zamiast kolby wypełnionej piaskiem. Zastosowany piasek jest drobniejszy niż piasek odlewniczy i jest mieszany z żywicą , dzięki czemu może być podgrzewany przez wzór i utwardzany w skorupę wokół wzoru. Dzięki żywicy i drobniejszemu piaskowi daje znacznie lepsze wykończenie powierzchni. Proces jest łatwo zautomatyzowany i bardziej precyzyjny niż odlewanie w piasku. Typowe metale, które są odlewane, obejmują żeliwo , aluminium, magnez i stopy miedzi. Ten proces jest idealny dla złożonych elementów, które są małe i średnie.

Odlew inwestycyjny

Odlewana pokrywa zaworów

Odlewanie inwestycyjne (znane w sztuce jako odlewanie metodą traconego wosku ) to proces praktykowany od tysięcy lat, przy czym proces traconego wosku jest jedną z najstarszych znanych technik formowania metalu. Od 5000 lat temu, kiedy wosk pszczeli tworzył wzór, do dzisiejszych wosków zaawansowanych technologicznie, materiałów ogniotrwałych i specjalistycznych stopów, odlewy zapewniają produkcję wysokiej jakości komponentów z kluczowymi zaletami dokładności, powtarzalności, wszechstronności i integralności.

Odlewanie inwestycyjne wywodzi swoją nazwę od faktu, że model jest otoczony lub otoczony materiałem ogniotrwałym. Wzory woskowe wymagają szczególnej uwagi, ponieważ nie są wystarczająco mocne, aby wytrzymać siły występujące podczas wykonywania form. Jedną z zalet odlewania inwestycyjnego jest to, że wosk może być ponownie użyty.

Proces nadaje się do powtarzalnej produkcji elementów o kształcie netto z różnych metali i stopów o wysokiej wydajności. Chociaż powszechnie stosuje się go do małych odlewów, proces ten został wykorzystany do produkcji kompletnych ram drzwi lotniczych, z odlewami stali do 300 kg i odlewami aluminiowymi do 30 kg. W porównaniu z innymi procesami odlewniczymi, takimi jak odlewanie kokilowe lub piaskowe , może to być kosztowny proces. Jednak komponenty, które można wyprodukować za pomocą odlewania precyzyjnego, mogą zawierać skomplikowane kontury, aw większości przypadków komponenty są odlewane w pobliżu kształtu netto, więc po odlaniu wymagają niewielkiej lub żadnej przeróbki.

Odpady formowania gipsu

Trwały pośredni gips jest często używany jako etap w produkcji rzeźby z brązu lub jako wskazówka do stworzenia rzeźbionego kamienia. Po wykonaniu tynku praca jest trwalsza (jeśli jest przechowywana w pomieszczeniu) niż oryginał gliniany, który musi być wilgotny, aby uniknąć pęknięć. Dysponując tanim tynkiem, kosztowną pracę odlewania brązu lub rzeźbienia w kamieniu można odłożyć do czasu znalezienia mecenasa, a ponieważ taka praca jest uważana za proces techniczny, a nie artystyczny, może nawet zostać odroczona poza okres życia artysty.

W formowaniu odpadów na pierwotną mieszankę gliny odlewana jest prosta i cienka forma gipsowa, wzmocniona sizalem lub płótnem. Po utwardzeniu jest następnie usuwany z wilgotnej gliny, przypadkowo niszcząc drobne szczegóły w podcięciach obecnych w glinie, które są teraz uchwycone w formie. Formę można następnie w dowolnym późniejszym czasie (ale tylko raz) wykorzystać do odlania gipsowego pozytywu, identycznego z oryginalną gliną. Powierzchnia tego tynku może być dalej uszlachetniana i może być malowana i woskowana, aby przypominała gotowy odlew z brązu.

Odlewanie metodą wyparną

Jest to klasa procesów odlewniczych wykorzystujących materiały modelowe, które odparowują podczas zalewania, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby usuwania materiału modelowego z formy przed odlewaniem. Dwa główne procesy to odlewanie metodą traconą i odlewanie w pełnej formie.

Odlewanie z utraconej pianki

Odlewanie z traconej pianki to rodzaj procesu odlewania metodą odparowywania, który jest podobny do odlewania inwestycyjnego, z wyjątkiem tego, że zamiast wosku do wzoru używana jest pianka. Proces ten wykorzystuje niską temperaturę wrzenia pianki, aby uprościć proces odlewania precyzyjnego poprzez wyeliminowanie konieczności wytapiania wosku z formy.

Odlewanie w pełnej formie

Odlewanie w pełnej formie to proces odlewania metodą wyparną, który jest połączeniem odlewania w formach piaskowych i odlewania metodą traconej pianki . Wykorzystuje wzór spienionego polistyrenu , który jest następnie otoczony piaskiem, podobnie jak odlewanie piasku. Metal jest następnie wlewany bezpośrednio do formy, która po zetknięciu odparowuje piankę.

Niezbywalne odlewanie form

Trwały proces formowania

Nieeksploatowalne odlewanie form różni się od procesów jednorazowych tym, że forma nie musi być odnawiana po każdym cyklu produkcyjnym. Ta technika obejmuje co najmniej cztery różne metody: odlewanie ciągłe, kokilowe, odśrodkowe i ciągłe. Ta forma odlewania zapewnia również lepszą powtarzalność produkowanych części i zapewnia wyniki zbliżone do kształtu netto .

Trwałe odlewanie w formie

Trwałe odlewanie form to proces odlewania metali , w którym wykorzystuje się formy wielokrotnego użytku („formy trwałe”), zwykle wykonane z metalu . Najpopularniejszy proces wykorzystuje grawitację do wypełnienia formy. Jednak stosuje się również ciśnienie gazu lub próżnię . Odmiana typowego procesu odlewania grawitacyjnego, zwana odlewaniem osadowym , wytwarza puste odlewy. Typowymi metalami odlewniczymi są stopy aluminium , magnezu i miedzi . Inne materiały obejmują stopy cyny , cynku i ołowiu , a żelazo i stal są również odlewane w formach grafitowych . Trwałe formy, choć wytrzymują więcej niż jeden odlew, nadal mają ograniczoną żywotność przed zużyciem.

Odlewanie ciśnieniowe

Proces odlewania ciśnieniowego wtłacza stopiony metal pod wysokim ciśnieniem do wnęk formy (które są obrabiane w matryce). Większość odlewów ciśnieniowych jest wykonana z metali nieżelaznych , w szczególności ze stopów cynku , miedzi i aluminium, ale możliwe są odlewy ciśnieniowe z metali żelaznych . Metoda odlewania ciśnieniowego jest szczególnie odpowiednia do zastosowań, w których potrzebnych jest wiele małych i średnich części o dobrych szczegółach, wysokiej jakości powierzchni i spójności wymiarowej.

Półstały odlew metalowy

Odlewanie z półstałego metalu (SSM) to zmodyfikowany proces odlewania ciśnieniowego, który zmniejsza lub eliminuje porowatość resztkową obecną w większości odlewów ciśnieniowych. Zamiast używać ciekłego metalu jako materiału zasilającego, odlewanie SSM wykorzystuje materiał zasilający o wyższej lepkości, który jest częściowo stały, a częściowo płynny. Zmodyfikowana maszyna do odlewania ciśnieniowego jest używana do wtryskiwania półstałej zawiesiny do matryc wielokrotnego użytku z hartowanej stali. Wysoka lepkość półstałego metalu wraz z zastosowaniem kontrolowanych warunków napełniania matrycy zapewnia, że ​​półstały metal wypełnia matrycę w sposób nieturbulentny, dzięki czemu można zasadniczo wyeliminować szkodliwą porowatość.

Stosowane komercyjnie głównie do stopów aluminium i magnezu, odlewy SSM mogą być poddawane obróbce cieplnej do stanów T4, T5 lub T6. Połączenie obróbki cieplnej, szybkiego chłodzenia (przy użyciu niepowlekanych matryc stalowych) i minimalnej porowatości zapewnia doskonałe połączenie wytrzymałości i plastyczności. Inne zalety odlewania SSM obejmują możliwość wytwarzania skomplikowanych kształtek o kształcie netto, szczelność na ciśnienie, wąskie tolerancje wymiarowe oraz możliwość odlewania cienkich ścian.

Odlewanie odśrodkowe

W tym procesie stopiony metal jest wlewany do formy i pozostawiany do zestalenia podczas obracania się formy. Metal wlewa się do środka formy na jej osi obrotu. Z powodu siły bezwładności ciekły metal jest wyrzucany w kierunku obrzeża.

Odlewanie odśrodkowe jest niezależne zarówno od grawitacji, jak i ciśnienia, ponieważ wytwarza własne podawanie siły za pomocą tymczasowej formy piaskowej utrzymywanej w komorze wirującej. Czas realizacji różni się w zależności od aplikacji. Przetwarzanie pół- i prawdziwie odśrodkowe pozwala na produkcję 30–50 sztuk/godz. formy, z praktycznym limitem przetwarzania wsadowego wynoszącym około 9000 kg masy całkowitej z typowym limitem na sztukę wynoszącym 2,3–4,5 kg.

W przemyśle odlewanie odśrodkowe kół kolejowych było wczesnym zastosowaniem metody opracowanej przez niemiecką firmę przemysłową Krupp i ta zdolność umożliwiła szybki rozwój przedsiębiorstwa.

Małe dzieła sztuki, takie jak biżuteria, są często odlewane tą metodą przy użyciu procesu traconego wosku, ponieważ siły umożliwiają przepływ raczej lepkich ciekłych metali przez bardzo małe kanały i do drobnych szczegółów, takich jak liście i płatki. Efekt ten jest podobny do korzyści płynących z odlewania próżniowego, stosowany również do odlewania biżuterii.

Odlewanie ciągłe

Odlewanie ciągłe to udoskonalenie procesu odlewania w celu ciągłej, wielkoseryjnej produkcji profili metalowych o stałym przekroju. Służy przede wszystkim do wytwarzania półproduktów przeznaczonych do dalszej obróbki. Stopiony metal wlewa się do otwartej, chłodzonej wodą formy, co pozwala na utworzenie „skóry” litego metalu na wciąż płynnym środku, stopniowo zestalając metal od zewnątrz do środka. Po zestaleniu nić, jak to jest czasami nazywany, jest stale wyjmowany z formy. Z góry określone długości pasma mogą być odcinane albo za pomocą nożyc mechanicznych, albo ruchomych palników acetylenowo-tlenowych i przekazywane do dalszych procesów formowania lub na składowisko. Rozmiary odlewów mogą wahać się od taśmy (o grubości kilku milimetrów i szerokości około pięciu metrów) przez kęsy (od 90 do 160 mm kwadratowych) do płyt (o szerokości 1,25 m i grubości 230 mm). Czasami pasmo może zostać poddane wstępnemu procesowi walcowania na gorąco przed cięciem.

Odlewanie ciągłe stosuje się ze względu na niższe koszty związane z ciągłą produkcją standardowego wyrobu, a także podwyższoną jakość finalnego wyrobu. Metale takie jak stal, miedź, aluminium i ołów są odlewane w sposób ciągły, przy czym stal jest metalem o największych tonażach odlewanych tą metodą.

rzutowanie w górę

Odlewanie upcasting (up-casting, upstream, upstream casting) jest metodą ciągłego odlewania pionowego lub poziomego prętów i rur o różnych profilach (cylindrycznych, kwadratowych, sześciokątnych, płaskich itp.) o średnicy od 8 do 30 mm. Stopy miedzi (Cu), brązu (stop Cu· Sn ), niklu są zwykle stosowane ze względu na większą szybkość odlewania (w przypadku odlewania pionowego) oraz uzyskiwane lepsze właściwości fizyczne. Zaletą tej metody jest to, że metale są prawie beztlenowe, a szybkość krystalizacji (krzepnięcia) produktu można regulować w krystalizatorze - urządzeniu odpornym na wysokie temperatury, które chłodzi rosnący metalowy pręt lub rurę za pomocą wody.

Metoda jest porównywalna z metodą Czochralskiego hodowania kryształów krzemu (Si), który jest metaloidem .

Terminologia

W procesach odlewania metali stosuje się następującą terminologię:

  • Wzór : Przybliżony duplikat ostatecznego odlewu użytego do uformowania wnęki formy.
  • Materiał do formowania: Materiał, który jest pakowany wokół wzoru, a następnie wzór jest usuwany, aby opuścić wnękę, w której zostanie wylany materiał odlewniczy.
  • Kolba : Sztywna drewniana lub metalowa rama, która utrzymuje materiał do formowania.
  • Rdzeń : wkładka w formie, która wytwarza wewnętrzne cechy odlewu, takie jak otwory.
    • Odcisk rdzenia: region dodany do wzoru, rdzenia lub formy używany do zlokalizowania i podparcia rdzenia.
  • Wnęka formy: połączony otwarty obszar materiału formierskiego i rdzenia, w którym metal jest wlewany w celu wytworzenia odlewu.
  • Riser : Dodatkowa pustka w formie, która wypełnia się stopionym materiałem, aby skompensować skurcz podczas krzepnięcia.
  • System wlewowy: Sieć połączonych kanałów, które dostarczają stopiony materiał do wnęk formy.
    • Kubek do nalewania lub miska do nalewania: część systemu wlewowego, która odbiera stopiony materiał z naczynia do nalewania.
    • Wlew : Kubek do nalewania jest mocowany do wlewu, który jest pionową częścią systemu wlewowego. Drugi koniec wlewu mocuje się do prowadnic.
    • Biegacze: pozioma część systemu bramek, która łączy wlewy z bramkami.
    • Bramy: kontrolowane wejścia z prowadnic do wnęk formy.
  • Otwory: Dodatkowe kanały, które zapewniają ujście gazów powstających podczas zalewania.
  • Linia podziału lub powierzchnia podziału: interfejs między połówkami kapy i przeciągania formy, kolby lub wzoru.
  • Szkic : Stożek na odlewie lub wzorze, który pozwala na wyciągnięcie go z formy
  • Rdzeń: Forma lub matryca używana do produkcji rdzeni.
  • Koronka: Długi pionowy pręt przytrzymujący rdzeń, który po odlaniu staje się integralną częścią odlewu, zapewniając wsparcie dla rdzenia.

Niektóre wyspecjalizowane procesy, takie jak odlewanie kokilowe, używają dodatkowej terminologii.

Teoria

Odlewanie jest procesem krzepnięcia , co oznacza, że ​​zjawisko krzepnięcia kontroluje większość właściwości odlewu. Ponadto większość wad odlewów pojawia się podczas krzepnięcia, takich jak porowatość gazowa i skurcz krzepnięcia .

Zestalanie zachodzi w dwóch etapach: zarodkowanie i wzrost kryształów . Na etapie zarodkowania w cieczy tworzą się cząstki stałe. Kiedy te cząstki się tworzą, ich energia wewnętrzna jest niższa niż otaczająca ciecz, co tworzy interfejs energetyczny między nimi. Tworzenie powierzchni na tej granicy wymaga energii, więc gdy zachodzi zarodkowanie, materiał faktycznie przechładza się (tj. schładza się poniżej swojej temperatury krzepnięcia) ze względu na dodatkową energię potrzebną do uformowania powierzchni międzyfazowych. Następnie ponownie się skaleczy lub podgrzeje z powrotem do temperatury krzepnięcia na etapie wzrostu kryształów. Zarodkowanie zachodzi na istniejącej wcześniej powierzchni ciała stałego, ponieważ do częściowej powierzchni styku nie potrzeba tyle energii, ile do pełnej kulistej powierzchni styku. Może to być korzystne, ponieważ odlewy drobnoziarniste mają lepsze właściwości niż odlewy gruboziarniste. Strukturę drobnoziarnistą można uzyskać przez rozdrobnienie ziarna lub inokulację , która jest procesem dodawania zanieczyszczeń w celu wywołania zarodkowania.

Wszystkie zarodki reprezentują kryształ, który rośnie, gdy ciepło topnienia jest usuwane z cieczy, aż ciecz nie pozostanie. Kierunek, tempo i rodzaj wzrostu można kontrolować, aby zmaksymalizować właściwości odlewu. Krystalizacja kierunkowa ma miejsce, gdy materiał krzepnie na jednym końcu i przechodzi do krzepnięcia na drugim końcu; jest to najbardziej idealny rodzaj wzrostu ziarna, ponieważ umożliwia płynnemu materiałowi kompensację skurczu.

Krzywe chłodzenia

Pośrednie szybkości chłodzenia ze stopu skutkują mikrostrukturą dendrytyczną. Na tym obrazie można zobaczyć dendryty pierwotne i wtórne.

Krzywe chłodzenia są ważne w kontrolowaniu jakości odlewu. Najważniejszą częścią krzywej chłodzenia jest szybkość chłodzenia , która wpływa na mikrostrukturę i właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, obszar odlewu, który jest szybko schładzany, będzie miał strukturę drobnoziarnistą, a obszar, który stygnie powoli, będzie miał strukturę gruboziarnistą. Poniżej znajduje się przykładowa krzywa stygnięcia czystego metalu lub stopu eutektycznego wraz z definicją terminologiczną.

Krzywa chłodzenia czysty metal.svg

Należy zauważyć, że przed zatrzymaniem termicznym materiał jest cieczą, a po nim jest ciałem stałym; podczas zatrzymania termicznego materiał przechodzi z cieczy w ciało stałe. Należy również zauważyć, że im większe przegrzanie, tym więcej czasu na wpłynięcie płynnego materiału do skomplikowanych detali.

Powyższa krzywa stygnięcia przedstawia podstawową sytuację z czystym metalem, jednak większość odlewów jest ze stopów, których krzywa stygnięcia ma kształt pokazany poniżej.

Stop krzywej chłodzenia.svg

Zauważ, że nie ma już zatrzymania termicznego, zamiast tego jest zakres zamarzania. Zakres zamarzania odpowiada bezpośrednio likwidusowi i solidusowi znajdującemu się na diagramie fazowym dla określonego stopu.

Reguła Chvorinova

Lokalny czas krzepnięcia można obliczyć za pomocą reguły Chvorinova, która brzmi:

Gdzie t to czas krzepnięcia, V to objętość odlewu, A to powierzchnia odlewu, która styka się z formą , n to stała, a B to stała formy. Jest to najbardziej przydatne przy określaniu, czy taśma stwardnieje przed odlewaniem, ponieważ jeśli taśma stwardnieje jako pierwsza, jest bezwartościowa.

System bramkowania

Prosty system wlewowy dla poziomej formy przecinającej.

System wlewowy służy wielu celom, z których najważniejszym jest przenoszenie płynnego materiału do formy, ale także kontrolowanie skurczu, prędkości cieczy, turbulencji i zatrzymywania żużlu . Bramy są zwykle przymocowane do najgrubszej części odlewu, aby pomóc w kontrolowaniu skurczu. W szczególnie dużych odlewach może być potrzebnych wiele bramek lub kanałów wlewowych, aby wprowadzić metal do więcej niż jednego punktu w gnieździe formy. Prędkość materiału jest ważna, ponieważ jeśli materiał porusza się zbyt wolno, może ostygnąć przed całkowitym napełnieniem, co prowadzi do błędnych obrotów i zimnych zamknięć. Jeśli materiał porusza się zbyt szybko, płynny materiał może powodować erozję formy i zanieczyszczenie końcowego odlewu. Kształt i długość systemu wlewowego może również kontrolować szybkość stygnięcia materiału; krótkie okrągłe lub kwadratowe kanały minimalizują straty ciepła.

System wlewowy może być zaprojektowany tak, aby zminimalizować turbulencje, w zależności od odlewanego materiału. Na przykład stal, żeliwo i większość stopów miedzi jest niewrażliwa na turbulencje, ale stopy aluminium i magnezu są wrażliwe na turbulencje. Materiały niewrażliwe na turbulencje mają zwykle krótki i otwarty system wlewowy, aby jak najszybciej wypełnić formę. Jednak w przypadku materiałów wrażliwych na turbulencje stosuje się krótkie wlewki, aby zminimalizować odległość, jaką materiał musi spaść, wchodząc do formy. Prostokątne kubki do nalewania i zwężające się wlewy są stosowane, aby zapobiec tworzeniu się wiru, gdy materiał wpływa do formy; te wiry mają tendencję do zasysania gazu i tlenków do formy. Duża studnia wlewowa służy do rozpraszania energii kinetycznej płynnego materiału opadającego w dół wlewu, zmniejszając turbulencje. Dławik , który jest najmniejszym polem przekroju poprzecznego w systemie wlewowym służącym do sterowania przepływem, można umieścić w pobliżu studni wlewowej, aby spowolnić i wyrównać przepływ . Należy zauważyć, że w niektórych formach dławik jest nadal umieszczony na bramkach, aby ułatwić oddzielenie części, ale wywołuje ekstremalne turbulencje. Bramy są zwykle przymocowane do dna odlewu, aby zminimalizować turbulencje i rozpryskiwanie.

System wlewowy może być również zaprojektowany do wychwytywania żużlu. Jedną z metod jest wykorzystanie faktu, że niektóre żużel ma mniejszą gęstość niż materiał bazowy, więc unosi się na szczycie systemu wlewowego. Dlatego długie płaskie prowadnice z bramkami wychodzącymi z dolnej części prowadnic mogą uwięzić w nich żużel; należy pamiętać, że długie prowadnice płaskie ochładzają materiał szybciej niż prowadnice okrągłe lub kwadratowe. W przypadku materiałów, w których żużel ma gęstość podobną do materiału podstawowego, takich jak aluminium, korzystne mogą być przedłużenia rynny i studzienki rynny . Wykorzystują one fakt, że żużel zwykle znajduje się na początku wylewania, dlatego rynna jest przedłużona poza ostatnią bramę (ostatnie bramki), a zanieczyszczenia są zawarte w studzienkach. Ekrany lub filtry mogą być również używane do wychwytywania zanieczyszczeń.

Ważne jest, aby rozmiar systemu wlewowego był niewielki, ponieważ wszystko musi zostać wycięte z odlewu i przetopione, aby można go było ponownie wykorzystać. Sprawność lub Wydajność systemu odlewniczego można obliczyć, dzieląc masę odlewu przez masę wlanego metalu. Dlatego im wyższa liczba, tym wydajniejszy system bramkowania / piony.

Kurczenie się

Istnieją trzy rodzaje skurczu: skurcz cieczy , skurcz krzepnięcia i skurcz wzornika . Kurczenie się cieczy rzadko stanowi problem, ponieważ więcej materiału wpływa do formy za nią. Skurcz krzepnięcia występuje, ponieważ metale są mniej gęste jako ciecz niż ciało stałe, więc podczas krzepnięcia gęstość metalu dramatycznie wzrasta. Skurcz Patternmaker odnosi się do skurczu, który występuje, gdy materiał jest schładzany z temperatury krzepnięcia do temperatury pokojowej, co następuje w wyniku skurczu termicznego .

Skurcz krzepnięcia

Skurcz krzepnięcia różnych metali
Metal Odsetek
Aluminium 6.6
Miedź 4.9
Magnez 4,0 lub 4,2
Cynk 3,7 lub 6,5
Stal niskowęglowa 2,5–3,0
Stal weglowa z wysoka zawartoscia wegla 4.0
Żeliwo białe 4,0–5,5
Żeliwo szare −2,5–1,6
Żeliwo sferoidalne −4,5–2,7

Większość materiałów kurczy się podczas krzepnięcia, ale jak pokazuje poniższa tabela, kilka materiałów nie kurczy się, na przykład żeliwo szare . W przypadku materiałów, które kurczą się po zestaleniu, rodzaj skurczu zależy od tego, jak szeroki jest zakres zamarzania materiału. W przypadku materiałów o wąskim zakresie zamarzania, poniżej 50 ° C (122 ° F), w środku odlewu tworzy się wnęka, znana jako rura , ponieważ zewnętrzna skorupa zamarza jako pierwsza i stopniowo krzepnie do środka. Metale czyste i eutektyczne mają zwykle wąskie zakresy krzepnięcia. Materiały te mają tendencję do tworzenia powłoki w formach na wolnym powietrzu, dlatego są znane jako stopy tworzące powłokę . W przypadku materiałów o szerokim zakresie zamarzania, większym niż 110 ° C (230 ° F), znacznie większa część odlewu zajmuje strefę błota lub błota (zakres temperatur między solidusem a likwidusem), co prowadzi do uwięzienia małych kieszeni cieczy całej i ostatecznie porowatości. Odlewy te mają zwykle słabą plastyczność , wytrzymałość i odporność na zmęczenie . Ponadto, aby tego rodzaju materiały były płynoszczelne, wymagana jest dodatkowa operacja impregnowania odlewu metalem lub żywicą o niższej temperaturze topnienia.

W przypadku materiałów, które mają wąskie zakresy krzepnięcia, rury można przezwyciężyć, projektując odlew w taki sposób, aby sprzyjał krzepnięciu kierunkowemu, co oznacza, że ​​odlew zamarza najpierw w punkcie najbardziej oddalonym od wlewu, a następnie stopniowo krzepnie w kierunku wlewu. Pozwala to na ciągłe dostarczanie ciekłego materiału w punkcie krzepnięcia w celu skompensowania skurczu. Należy zauważyć, że nadal istnieje pustka skurczowa, w której materiał końcowy zestala się, ale jeśli zostanie prawidłowo zaprojektowana, będzie to w systemie wlewowym lub pionie.

Podstopnice i pomoce podstopnicowe

Różne typy pionów

Podstopnice, zwane również podajnikami , są najczęstszym sposobem zapewnienia kierunkowego krzepnięcia. Dostarcza ciekły metal do krzepnącego odlewu, aby skompensować skurcz krzepnięcia. Aby nadlew działał prawidłowo, po odlaniu nadlew musi stwardnieć, w przeciwnym razie nie może doprowadzić do skurczu ciekłego metalu w odlewie. Piony zwiększają koszt odlewania, ponieważ obniżają wydajność każdego odlewu; tj. więcej metalu jest tracone jako złom dla każdego odlewu. Innym sposobem promowania kierunkowego krzepnięcia jest dodanie ochłody do formy. Chłodnik to dowolny materiał, który odprowadza ciepło z odlewu szybciej niż materiał użyty do formowania.

Piony są klasyfikowane według trzech kryteriów. Po pierwsze, jeśli pion jest otwarty na atmosferę, jeśli tak, nazywa się go otwartym pionem, w przeciwnym razie jest znany jako typ ślepy . Drugim kryterium jest lokalizacja pionu; jeśli znajduje się na odlewie, to jest znany jako górny podstopnica , a jeśli znajduje się obok odlewu, znany jest jako podstopnica boczna . Wreszcie, jeśli pion jest umieszczony na systemie wlewowym tak, że wypełnia się za wnęką formującą, jest znany jako pion pod napięciem lub w pionie gorącym , ale jeśli pion wypełnia się materiałami, które już przepłynęły przez wnękę formującą, jest znany jako martwy pion lub zimny pion .

Pomoce do podstopnic to elementy używane do wspomagania podstopnic w tworzeniu kierunkowego krzepnięcia lub zmniejszaniu liczby wymaganych podstopnic. Jednym z takich elementów są dreszcze , które przyspieszają stygnięcie w określonej części formy. Istnieją dwa rodzaje: dreszcze zewnętrzne i wewnętrzne. Schładzacze zewnętrzne to masy materiału o dużej pojemności cieplnej i przewodności cieplnej, które są umieszczane na krawędzi wnęki formierskiej. Wewnętrzne dreszcze to kawałki tego samego metalu, który jest odlewany, które są umieszczane wewnątrz wnęki formy i stają się częścią odlewu. Tuleje izolacyjne i nadlewki mogą być również instalowane wokół wnęki pionu, aby spowolnić krzepnięcie pionu. Wężownice grzewcze mogą być również instalowane wokół lub nad wnęką pionu, aby spowolnić krzepnięcie.

Kurczak modelarza

Typowy skurcz modelarski różnych metali
Metal Odsetek cale/stopy
Aluminium 1,0–1,3 1 / 8 5 / 32
Mosiądz 1.5 3 / 16
Magnez 1,0–1,3 1 / 8 5 / 32
Żeliwo 0,8–1,0 1 / 10 1 / 8
Stal 1,5–2,0 3 / 16 1 / 4

Skurczowi po zestaleniu można zaradzić, stosując ponadwymiarowy wzór zaprojektowany specjalnie dla użytego stopu.Reguła kontrakcji s, lubreguły zmniejszania s, są używane do nadwymiarowania wzorów w celu skompensowania tego typu skurczu. Te linijki mają do 2,5% zawyżone rozmiary, w zależności od odlewanego materiału. Władcy ci są określani głównie przez zmianę procentową. Wykrój pasujący do istniejącej części byłby wykonywany w następujący sposób: najpierw mierzono by istniejącą część za pomocą standardowej linijki, a następnie podczas konstruowania wzoru, twórca szablonu stosowałby regułę skrócenia, zapewniając, że odlew skurczy się do właściwy rozmiar.

Należy zauważyć, że kurczenie wzorca nie uwzględnia przemian fazowych. Na przykład reakcje eutektyczne, reakcje martenzytyczne i grafityzacja mogą powodować rozszerzanie lub kurczenie.

Wnęka formy

Gniazdo formy odlewu nie odzwierciedla dokładnych wymiarów gotowej części z wielu powodów. Te modyfikacje wnęki formy są znane jako naddatki i uwzględniają skurcz, zanurzenie, obróbkę i zniekształcenie wzornika. W procesach nieeksploatacyjnych naddatki te są nadawane bezpośrednio do formy stałej, ale w procesach form jednorazowych są one nadawane wzorom, które później tworzą wnękę formy. Należy pamiętać, że w przypadku form jednorazowych wymagany jest dodatek na zmianę wymiarów formy w wyniku nagrzania do temperatur roboczych.

Dla powierzchni odlewu prostopadłych do linii podziału formy należy podać szkic. Ma to na celu umożliwienie uwolnienia odlewu w procesach nieekonomicznych lub model może zostać uwolniony z formy bez niszczenia formy w procesach nieekonomicznych. Wymagany kąt pochylenia zależy od wielkości i kształtu elementu, głębokości wnęki formy, sposobu wyjmowania części lub wzoru z formy, materiału wzoru lub części, materiału formy i rodzaju procesu. Zazwyczaj projekt jest nie mniejszy niż 1%.

Naddatek na obróbkę różni się drastycznie w zależności od procesu. Odlewy piaskowe mają na ogół chropowate wykończenie powierzchni, dlatego wymagają większego naddatku na obróbkę, podczas gdy odlewanie ciśnieniowe ma bardzo dokładne wykończenie powierzchni, które może nie wymagać żadnej tolerancji obróbki. Ponadto projekt może na początek zapewnić wystarczający naddatek na obróbkę.

Tolerancja zniekształceń jest konieczna tylko w przypadku niektórych geometrii. Na przykład odlewy w kształcie litery U będą miały tendencję do zniekształcania się, gdy nogi rozchylają się na zewnątrz, ponieważ podstawa kształtu może się kurczyć, gdy nogi są ograniczone przez formę. Można temu zaradzić, projektując wnękę formy tak, aby na początku nachylała nogę do wewnątrz. Ponadto długie sekcje poziome mają tendencję do zwisania w środku, jeśli żebra nie są wbudowane, więc może być wymagany naddatek na zniekształcenia.

Rdzenie mogą być używane w jednorazowych procesach formowania w celu wytworzenia cech wewnętrznych. Rdzeń może być metalowy, ale zwykle wykonuje się go w piasku.

Pożywny

Schemat procesu odlewania niskociśnieniowego w formie trwałej

Istnieje kilka typowych metod wypełniania wnęki formy: grawitacja , niskie ciśnienie , wysokie ciśnienie i próżnia .

Napełnianie próżniowe, znane również jako napełnianie przeciwgrawitacyjne , jest bardziej wydajne niż odlewanie grawitacyjne, ponieważ mniej materiału krzepnie w systemie wlewowym. Odlewanie grawitacyjne daje tylko 15 do 50% uzysku metalu w porównaniu z 60 do 95% w przypadku odlewania próżniowego. Jest również mniej turbulencji, więc system bramkowania można uprościć, ponieważ nie musi on kontrolować turbulencji. Ponadto, ponieważ metal jest wyciągany spod górnej części basenu, metal jest wolny od żużla i żużla, ponieważ mają one niższą gęstość (lżejsze) i unoszą się na powierzchnię basenu. Różnica ciśnień pomaga metalowi wniknąć w każdą złożoność formy. Wreszcie można zastosować niższe temperatury, co poprawia strukturę ziarna. Pierwsza opatentowana maszyna do odlewania próżniowego i proces odlewania pochodzą z 1879 roku.

Napełnianie pod niskim ciśnieniem wykorzystuje ciśnienie powietrza od 5 do 15 psig (35 do 100 kPag) do wtłaczania ciekłego metalu w górę rury zasilającej do gniazda formy. Eliminuje to turbulencje występujące podczas odlewania grawitacyjnego i zwiększa gęstość, powtarzalność, tolerancje i jednorodność ziarna. Po zastygnięciu odlewu ciśnienie zostaje zwolnione, a pozostała ciecz wraca do tygla, co zwiększa wydajność.

Wypełnienie uchylne

Napełnianie przechylne , znane również jako odlewanie przechylne , to rzadka technika napełniania, w której tygiel jest przymocowany do systemu wlewowego i oba są powoli obracane, tak aby metal wchodził do gniazda formy z niewielkimi turbulencjami. Celem jest zmniejszenie porowatości i wtrąceń poprzez ograniczenie turbulencji. W przypadku większości zastosowań napełnianie przechylne jest niewykonalne z powodu następującego nieodłącznego problemu: jeśli system jest obracany wystarczająco wolno, aby nie wywołać turbulencji, przód strumienia metalu zaczyna krzepnąć, co powoduje błędne przebiegi. Jeśli system obraca się szybciej, wywołuje turbulencje, co mija się z celem. Durville z Francji był pierwszym, który spróbował odlewania z pochylenia w XIX wieku. Próbował go użyć do zmniejszenia wad powierzchniowych podczas odlewania monet z brązu aluminiowego .

Makrostruktura

Makrostruktura ziarna we wlewkach i większości odlewów ma trzy odrębne obszary lub strefy: strefę stygnięcia, strefę kolumnową i strefę równoosiową. Poniższy obraz przedstawia te strefy.

Makrostruktura odlewu wlewka.svg

Strefa chłodu jest tak nazwana, ponieważ występuje na ściankach formy, gdzie ścianka chłodzi materiał. Tutaj zachodzi faza zarodkowania procesu krzepnięcia. W miarę usuwania większej ilości ciepła ziarna rosną w kierunku środka odlewu. Są to cienkie, długie kolumny , które są prostopadłe do powierzchni odlewu, co jest niepożądane, ponieważ mają właściwości anizotropowe . Wreszcie w centrum równoosiowa strefa zawiera kuliste, losowo zorientowane kryształy. Są one pożądane, ponieważ mają właściwości izotropowe . Powstaniu tej strefy można sprzyjać stosując niską temperaturę zalewania, wtrącenia stopu lub modyfikatory .

Kontrola

Powszechnymi metodami kontroli odlewów staliwnych są badania magnetyczno-proszkowe i badania penetracyjne cieczy . Powszechnymi metodami kontroli odlewów aluminiowych są radiografia , badania ultradźwiękowe i badania penetracyjne cieczy .

Wady

Istnieje wiele problemów, które można napotkać podczas procesu odlewania. Główne rodzaje to: porowatość gazowa , wady skurczowe , wady materiału formy , wady metalu odlewniczego i wady metalurgiczne .

Symulacja procesu odlewania

Wysokowydajne oprogramowanie do symulacji procesów odlewania umożliwia interaktywną lub zautomatyzowaną ocenę wyników (tutaj na przykład wypełnienie i krzepnięcie formy, porowatość i charakterystyka płynięcia).

Symulacja procesu odlewania wykorzystuje metody numeryczne do obliczania jakości odlewanego elementu z uwzględnieniem wypełnienia formy, krzepnięcia i chłodzenia oraz zapewnia ilościową prognozę właściwości mechanicznych odlewu, naprężeń termicznych i odkształceń. Symulacja dokładnie opisuje jakość odlewanego elementu z góry przed rozpoczęciem produkcji. Olinowanie odlewnicze można zaprojektować z uwzględnieniem wymaganych właściwości elementu. Ma to zalety wykraczające poza ograniczenie pobierania próbek przed produkcją, ponieważ precyzyjny układ kompletnego systemu odlewania prowadzi również do oszczędności energii, materiałów i narzędzi.

Oprogramowanie wspiera użytkownika w projektowaniu komponentów, określaniu praktyki topienia i metod odlewania, aż po tworzenie modeli i form, obróbkę cieplną i wykańczanie. Oszczędza to koszty na całej trasie produkcji odlewów.

Symulacja procesu odlewania była początkowo rozwijana na uniwersytetach począwszy od wczesnych lat 70-tych, głównie w Europie i USA, i jest uważana za najważniejszą innowację w technologii odlewania w ciągu ostatnich 50 lat. Od późnych lat 80-tych dostępne są programy komercyjne, które umożliwiają odlewni uzyskanie nowego wglądu w to, co dzieje się wewnątrz formy lub matrycy podczas procesu odlewania.

Zobacz też

Bibliografia

Notatki

Bibliografia

Linki zewnętrzne