Podstawy

odlewnictwa

Odlewnictwo jest to wytwarzanie przedmiotów  metalowych różnego kształtu przez wlewanie  ciekłego metalu do odpowiednio przygotowanych form.

W odlewnictwie stosuje się specjalne piece odlewnicze. Piece odlewnicze służą do topie­nia wsadu. Do topienia żeliwa stosuje się piece szybowe, zwane żeliwiakami (rysunek obok). Żeliwiak jest zbudowany w kształcie walca 1, z cegły szamoto­wej chronionej z zewnątrz płaszczem z blachy. Od spodu Żeliwiak jest zamknięty klapą denną 9, wyłożoną masą formierską tworzącą trzon 5. Tuż nad trzonem znajdują się drzwi­czki włazowe 8, przez które ubija się masę formierską na trzonie. Wsad ładuje się do pieca oknem wsadowym 10. Szyb żeliwiaka w górnej swej części jest wyłożony ochronną wykładziną żeliwną, która zabezpiecza obmurze przed uszkodzeniem pod­czas ładowania wsadu. Powietrze po­trzebne do spalania koksu doprowa­dza się do żeliwiaka za pomocą dysz 2 zasilanych za pomocą wentylatora przez skrzynię powietrzną 3. Ciekłe żeliwo odprowadza się otworem spu­stowym 6 i następnie — rynną 7. Tworzący się w piecu nadmiar żużla usuwa się otworem spustowym 4.

Uruchomienie żeliwiaka rozpoczyna się od zapalenia w nim drewna, węgla i następnie koksu. Na rozpalony koks ładuje się w dalszym ciągu dużą partię koksu wypełniającego — do wysokości 700 mm ponad poziom dysz. Po rozpaleniu koksu do temperatury białego żaru ładuje się kolejno warstwami topnik (kamień wapienny), wsad metalowy, koks wsadowy i znowu topnik. W taki sposób napełnia się cały szyb żeliwiaka aż do poziomu okna wsadowego. Po pewnym czasie stopiony metal zbiera się na dnie żeliwiaka, skąd po przebiciu otworu spustowego wypuszcza się go do kadzi, z niej jest też pobierany do zalewania form. Po skończonym wytopie należy przerwa ładowanie, wytopić znaj­dujące się jeszcze w piecu żeliwo, spuścić je do kadzi i następnie opróżnić piec, otwierając w tym celu klapę denną.

Żeliwo poddaje się często przed odlewaniem zabiegom zwanym obróbką w stanie ciekłym. Mają one na celu odtlenienie i odsiarczenie i niekiedy również modyfikację żeliwa. W celu odtlenienia dodaje się do stopionego żeliwa żelazokrzem. Odsiarczanie wykonuje się zazwy­czaj węglanem sodu dodawanym do kadzi, w której znajduje się ciekłe żeliwo przygotowane do odlewania. Modyfikacji poddaje się żeliwa zawierające mniejsze ilości krzemu, a więc takie, które skrzepłyby jako białe, szczególnie przy szybkim studzeniu odlewu. Dodatek żelazo­krzemu do kadzi powoduje grafityzację cementytu, a otrzymane żeliwo po skrzepnięciu uzyskuje budowę perlityczną z drobno płatkowym grafitem. Jako modyfikatory są stosowane również stopy wapnia z krzemem lub aluminium z krzemem. Żeliwo sferoidalne. zawierające grafit w postaci kuleczek, otrzy­muje się po wprowadzeniu do kadzi stopu Fe—Si —Mg lub Mg-Cu i następnie żelazokrzemu.

Do topienia metali nieżelaznych używa się często pleców tyglo­wych, Przedstawiony na rysunku piec tyglowy jest opalany gazem lub ropą. Do tygla 1, znajdującego się w komorze pieca jest ładowany wsad. Komora pieca jest przykryta pokrywą 2. W dolnej części komory znajduje się palnik. Po stopieniu metalu tygiel można wyjąć z pieca za pomocą kleszczy. Stopiony wsad poddaje się najczęściej odtlenieniu. Miedź i brązy cynowe odtlenia się miedzią fosforową, a stopy miedzi z cynkiem — zawartym w stopie cynkiem lub miedzią krzemową. Brązów krzemowych i brązów aluminiowych nie odtlenia się, jednak zabezpiecza sieje podczas topienia przed utlenieniem przez wprowadzenie pokrycia warstwą boraksu, szkła, węgla drzewnego lub innych. Stopy magnezu podczas topienia chroni się przed utlenianiem topnikami złożonymi najczęściej z chlorku magnezu, chlorku sodu i fluorku magnezu. Pewne ilości tlenku magnezu powstającego podczas topienia przechodzą do żużla utworzonego na powierzchni metalu z topnika doprowadzonego do tygla. Topienie stopów magnezu odbywa się w tyglach żeliwnych lub stalowych. Stopy aluminium odtlenia się za pomocą fluorków lub chlorków powodujących rozpuszczanie się w nich tlenków. Po odtlenieniu wypływają one w postaci żużla na powierzchnię metalu.

Oprócz pieców tyglowych do topienia stopów aluminium używa się często pieców oporowych przechylnych (rysunek). Są to piece o ładow­ności do kilku ton. Topienie wsadu odbywa się w komorze wstępnej 1. Stopiony metal spływa po pochyłym dnie do komory 3, gdzie następuje jego ujednorodnienie, odtlenienie i ewentualnie modyfikacja. Piec jest ogrzewany grzejnikami 2. Przygotowany do odlewania metal pobiera się z pieca po przechyleniu go na biegunach ślizgających się po rolkach 4.

Poza. wymienionymi w odlewnictwie stosuje się ponadto piece płomieniowe, konwertorowe, indukcyjne i inne.

Podczas przygotowywania metalu do odlewania należy kontrolo­wać skład chemiczny zimnego materiału wsadowego, skład chemiczny metalu przy spuście i niekiedy nawet podczas wytopu; mierzy się ponadto temperaturę metalu przy spuście. Przez cały czas procesu przemysłowego należy kontrolować ważniejsze parametry pracy urządzeń. Na przykład w żeliwiaku kontroluje się ilość, ciśnienie i temperaturę powietrza, zużycie paliwa itp., w piecach elektrycznych — parametry elektryczne procesu, a więc natężenie i napięcie prądu, współczynnik przesunięcia fazowego, zużycie energii elektrycznej i inne.

W odlewniach stosuje się wiele narzędzi specjalnych służących do zalewania form. Do podstawowych należą łyżki odlewnicze i kadzie. Łyżki odlewnicze służą do napełniania małych form. Przenosi je jeden robotnik, trzymając lewą ręką w połowie trzonka, a prawą — za uchwyt wykonany w postaci kółka lub poprzecznego trzpienia.

Na rysunku przedstawiono kadź ręczną widlową o ładowności 30-80 kg. Przy jej przenoszeniu są zatrudnione 2 lub 3 osoby.

Do wypełniania dużych form lub szeregu mniejszych używa się kadzi odlewniczych wyłożonych materiałem ogniotrwałym i przewożonych za pomocą urządzeń przenośnikowych. Na rysunku przedstawiono otwartą kadź suwnicową o ładowności 1—10 t. Pochylenie kadzi następuje po uruchomieniu mechanizmu napędzanego kołem ręcznym. Zalewanie form z kadzi, zależnie od ich konstrukcji, może się odbywać przez dziób lub otwór w dnie kadzi.

Metale stosowane na odlewy dzieli się na stopy żelaza oraz stopy metali nieżelaznych. Do surowców żelaznych zalicza się: surówki, żelazostopy oraz złom żeliwny i złom stalowy.

Surówki odlewnicze klasyfikuje się na gatunki zależnie od zawartości fosforu i na odmiany — w zależności od zawartości krzemu.

Żelazostopy to stopy żelaza z innymi metalami, a niekiedy — z nie­metalami. W odlewnictwie są one używane jako dodatki do wsadu w celu uzyskania odpowiedniego składu chemicznego żeliwa. Do żela­zostopów najczęściej używanych w odlewnictwie należą: żelazokrzem o zawartości 25—90% kr/emu, żelazomangan zawierający zwykle do 80% manganu, 2,5—8% węgla, surówka zwierciadlista zawierająca około 20% manganu i około 5% węgla, żelazochrom zawierający do 70% chromu i 0,1 — 1,0% węgla oraz żelazo wapnio - krzem służący do odtleniania i modyfikowania żeliwa.

Zlom żeliwny stanowią odpadki produkcyjne i części żeliwne maszyn oraz urządzeń nadające się tylko do przetopu. Złom używany w odlew­nictwie klasyfikuje się według pochodzenia i postaci.

Surowce nieżelazne stosowane w odlewnictwie to głównie miedź, aluminium, magnez, cynk oraz stopy miedzi, jak mosiądze i brązy, także stopy aluminium z miedzią, stopy aluminium z krzemem, stop magnezu, zwany elektronem, i stopy cynku z aluminium, znane pod nazwą znali.

Materiały pomocnicze stosowane w odlewnictwie dzieli się na trzy następujące grupy: koks, topniki i materiały ogniotrwałe.

W odlewnictwie stosuje się trzy rodzaje koksu. Koksu opałowego używa się do opalania suszarni, koksu hutniczego — do przetapiania metali w piecach tyglowych, a koksu odlewniczego — do topienia żeliwa w żeliwiakach.

Topniki stosowane w odlewnictwie, podobnie jak w hutnictwie, chronią metal przed szkodliwym wpływem tlenu oraz służą do usu­wania z metalowego wsadu zanieczyszczeń w postaci piasku, popiołu itp. Głównymi topnikami używanymi w odlewnictwie żeliwa lub staliwa są: kamień wapienny (CaCO3), wapno palone (CaO), dolomit (CaCO3 • MgCO3) oraz fluoryt (CaF2).

Jako materiał ogniotrwały w odlewnictwie jest stosowany głównie szamot. Przygotowanie metalu do odlewania polega na dobraniu jego składu chemicznego, topieniu oraz ewentualnie odtlenieniu, odsiarczeniu, czy modyfikowaniu. W celu uzyskania żądanego składu chemicznego odlewu należy przy obliczaniu wsadu uwzględnić zmiany zachodzące podczas topienia. Przede wszystkim należy się liczyć z pewnymi stratami powodowanymi utlenianiem się niektórych składników; straty takie nazywamy zgarem. Do otrzymywania odlewów ze stopów metali nieżelaznych używa się czystych składników lub tzw. zapraw o składzie chemicznym dobranym tak, aby temperatura topnienia tych stopów była niska. Najczęściej jednak używa się stopów o składzie chemicznym zbliżonym do żą­danego.

              Głównym materiałem stosowanym do zalewania form w odlewnictwie jest  ciekły metal zwany także potocznie surówką. Chociaż mianem surówki można określić także inne produkty procesu technologicznego.

Rodzaje surówek

Surówkami (materiałem wejściowym) nazywamy wyroby będące końco­wym wynikiem procesu technologicznego zakładów pomocniczych oraz wy­roby hutnicze, z których mają być wykonane części maszyn. W zależności od kształtu surówki przyjmuje się odpowiedni proces obróbki części.

Od doboru kształtu surówki, wartości naddatków, dokładności wymia­rów (tolerancji) i twardości materiału w dużym stopniu zależy liczba operacji lub zabiegów, a więc i koszt procesu obróbki. Gdy surówka jest wykonana dokładnie, z minimalnymi naddatkami niezbędnymi do uzyskania odpowied­niego wymiaru, to czas obróbki skrawaniem jest krótki, a jej koszt niewielki.

W produkcji wielkoseryjnej stosuje się surówki kształtem i wymiarami możliwie najbardziej zbliżone do gotowych części. Koszty wykonania takich surówek są wysokie, ale dzięki znacznemu obniżeniu kosztów obróbki skra­waniem ogólny koszt wykonania gotowej części jest niższy niż w przypadku zastosowania surówek o dużych naddatkach.

Rozróżnia się następujące rodzaje surówek:

a) odlewy ze stali, żeliwa i metali nieżelaznych,

b) odkuwki,

c) wyroby hutnicze walcowane i ciągnione,

d) wytłoczki i wykroje,

e) wypraski ze spiekanych proszków metali,

f) wypraski z tworzyw sztucznych.

Wytłoczki i wypraski najczęściej nie wymagają obróbki skrawaniem i wtedy nie są zaliczane do surówek, lecz do wyrobów gotowych. Zależnie od sposobu wykonania surówki dzieli się na grupy, które różnią się między sobą dokładnością wymiarów i kształtu oraz chropowatością po­wierzchni; np. odlewy wykonane w formach piaskowych, w kokilach, pod ciśnieniem. Rodzaj materiału na daną część dobiera konstruktor wyrobu, natomiast kształt, wymiary oraz sposób wykonania materiału wyjściowego najczęściej określa technolog. Na dobór materiału mają wpływ następujące czynniki:

a) kształt części;

b) wymiary części;

c) warunki techniczne, jakim powinien odpowiadać materiał części (skład chemiczny, własności mechaniczne, struktura, kierunek włókien itp);

d) wielkość serii;

e) czynnik ekonomiczny (minimalny koszt wykonania części z uwzględnie­niem kosztu materiału surówki).

Odlewy

Surówkami części o złożonych kształtach są najczęściej odlewy. Odlewy różnią się znacznie między sobą zależnie od sposobu ich wykonania. Rozróż­niamy następujące sposoby wykonania odlewów:

a) odlewanie w formach piaskowych przy zastosowaniu modeli drewnianych i formowaniu ręcznym,

b) odlewanie w formach piaskowych przy zastosowaniu modeli metalowych i formowaniu maszynowym,

c) odlewanie metodą odśrodkową,

d) odlewanie w formach metalowych (kokilach),

e) odlewanie pod ciśnieniem,

f) odlewanie metodą traconego modelu,

g) odlewanie w formach skorupowych.

              Najmniej dokładne, a więc i wykonywane z największymi naddatkami są odlewy otrzymywane z form piaskowych formowane ręcznie. Najdokładniej­sze są odlewy z form metalowych (kokilowe), odlewane pod ciśnieniem i odlewy otrzymywane metodą traconego modelu. Zwłaszcza odlewy dwóch ostatnich rodzajów są tak dokładne, że dalszej obróbce zwykle są poddawa­ne tylko powierzchnie pasowane i gwinty. Położenie pola tolerancji (zgodnie z PN-75/H-83200) w stosunku do no­minalnego wymiaru odlewu podano na rysunek.

Pola tolerancji wymiarów odlewów wykonanych w formach piaskowych zaleca się dzielić na odchyłki symetryczne, z zaokrągleniem do 0,1 mm.

Wartości tolerancji wymiarów liniowych odlewów dla poszczególnych ro­dzajów metali są podane w normach:

— dla żeliwa szarego PN-72/H-83104,

— dla żeliwa ciągliwego PN-76/H-83205,

— dla staliwa PN-72/H-83154,

— dla metali nieżelaznych PN-74/H-83207.

W produkcji wielkoseryjnej wartości dopuszczalnych odchyłek poszcze­gólnych wymiarów odlewu są znacznie mniejsze niż przewidują normy i są dla każdej części uzgadniane z wykonawcą.

Odkuwki

Zależnie od sposobu wykonania rozróżnia się odkuwki.

a) swobodnie kute,

b) matrycowane na młotach i prasach.

c) matrycowane na kuźniarkach (na prasach poziomych),

d) walcowane na walcach kuźniczych.

Najmniej dokładne są odkuwki swobodnie kute, stosowane do prototy­pów i produkcji małoseryjnej. Wykonanie odkuwek pozostałych rodzajów jest związane z dużymi kosztami projektowania i wykonania urządzeń, ma­tryc itp., i z tego powodu stosowanie tych odkuwek jest opłacalne tylko w produkcji wielkoseryjnej lub masowej.

...