Odlewnictwo Teoria.pdf

(768 KB) Pobierz

2.5. Produkcja form i rdzeni

Formowanie polega na wykonaniu formy d.o której zostanie wlany ciekły metal. Niektóre

formy muszą mieć specjalne właściwości w celu wykonania odlewu o wysokiej jakości;

formy te powinny na przykład:

odtwarzać dokładnie z wysoką dokładnością kształt modelu odlewniczego;

gwarantować gładką powierzchnię odlewu, aby uniknąć nadmiernego wykańczania;

nie dopuścić do powstania jakichkolwiek wad odlewów takich jak pęknięcia,

żyłki,

nakłucia, itp.

Forma odtwarza zewnętrzny kształt odlewu, natomiast rdzeń odtwarza wewnętrzny kształt

odlewu, lub przynajmniej części, które nie mogą zostać bezpośrednio odtworzone przez

formę.

Formy są klasyfikowane i dzielone na dwie duże grupy:

formy nietrwałe (pojedynczego użycia): są one wykonywane specjalnie dla każdego

odlewu i są niszczone po zalaniu. Formy tego typu są zwykle wykonane z piasku jako

osnowy i są wiązane chemicznie, gliną lub są nawet nie wiązane. Formy do odlewania

precyzyjnego mogą być również zaliczone do tej grupy.

formy trwałe (wielokrotnego użycia): tego typu formy są wykonywane do odlewania

grawitacyjnego i niskociśnieniowego, odlewania ciśnieniowego i odśrodkowego. Formy

takie wykonane są zwykle z metalu.

Rdzenie stosowane do odlewów ze stopów

żelaza,

są praktycznie zawsze wykonane z piasku

jako osnowy. Wybór technologii wiązania zależy od czynników takich jak: wielkość odlewu,

wielkość serii, rodzaj odlewanego metalu, wybijalność itp.

Formy piaskowe mogą być wykonywane przez ubijanie ręczne lub mechanicznie,

wykorzystując operacje takie jak wstrząsanie,

ściskanie,

uderzenie powietrza, wibracje itp.

Gdy forma uzyska wystarczającą wytrzymałość jest z niej usuwany model, który może być

użyty do produkcji kolejnej formy.

Rdzenie są zwykle produkowane są w tej samej technologii co formy. Lecz rdzenie małe i

średnie

są często nadmuchiwane lub wstrzeliwane do rdzennicy wykonanej z drewna,

tworzyw sztucznych lub metalu.

W przypadku odlewów z metali nieżelaznych, około 30% odlewów jest wykonywanych w

formach piaskowych. W przypadku odlewów z lekkich stopów metali nieżelaznych tylko 10%

z nich jest wykonywanych w formach nietrwałych.

Produkcja modeli i form trwałych jest zwykle wykonywana przez wyspecjalizowane firmy

zewnętrzne. Tego typu działalność znajduje się w sektorze usług metalowych i tworzyw

sztucznych.

[2, Hoffmeister, et al., 1997], [32, CAEF, 1997], [110, Vito, 2001]

2.5.1. Materiały

świeże

2.5.1.1. Materiały ogniotrwałe

Niezależnie od zastosowanego materiału wiążącego właściwości fizyczne i chemiczne

materiału ogniotrwałego, zastosowanego do wykonania form lub rdzeni, wpływają

decydująco na właściwości wykonanej formy i rdzenia i na ich zachowanie podczas odlewnia.

Nie jest zaskakujące,

że

materiały ogniotrwałe stanowią 95 do 99% produktów użytych do

wykonania formy i rdzenia.

Cena zakupu każdego typu piasku jest składową czterech głównych składników:

wydobycia, przygotowania, pakowania i transportu. Koszty transportu są różne w różnych

rejonach (krajach). Głównym jednak składnikiem ceny jest typ (rodzaj) piasku.

Średnie

ceny

zakupu różnych rodzajów piasków są bardzo różne. Dane z ankiety przeprowadzonej w 1995

roku w Wielkiej Brytanii wskazują,

że

cena zakupu tony piasku chromitowego i cyrkonowego

była odpowiednio 9 i 14 razy większa od ceny piasku kwarcowego. W Portugalii ceny piasku

zależą od zakupywanej ilości, lecz piasek jest przeważnie tańszy w Portugalii niż w Hiszpanii,

Francji i Włoszech. Ceny w Portugalii wahają się w granicach (dane z roku 2003) 20-25 EUR

za tonę suchego piasku AFS 55 (plus transport). Ceny piasku kwarcowego w Czechach (rok

2003) wahają się w przedziale 10-20 EUR, a cena zależy od wielkości zakupu, sposobu

pakowania i rodzaju obróbki. Cena piasku chromitowego wynosi 250-300 EUR/tonę,

natomiast cyrkonowego 250-400 EUR/tonę.

[72, ETSU, 1995], [225, TWG, 2003]

Różne typy piasków ogniotrwałych stosowanych w odlewnictwie są omówione w kolejnych

działach.

2.5.1.1.1. Piasek kwarcowy

Ten typ piasku jest stosowany najczęściej, głównie ze względu na szeroką dostępność i jego

stosunkowo niską cenę. Piasek kwarcowy jest tworzony przez minerał „kwarc” (SiO

), który

jest czysty w stopniu większym lub mniejszym zależnie od materiału wyjściowego. Gęstość

piasku kwarcowegowynosi 2,5-2,8 kg/dm

, a jego gęstość nasypowa wynosi 1.4–1.6 kg/dm

Rozszerzalność cieplna piasku kwarcowego powoduje ruch formy przy zalewaniu i

chłodzeniu. Aby zapobiec temu zjawisku prowadzącemu do wad odlewu stosuje się specjalne

dodatki, szczególnie przy produkcji rdzeni. Dodatkami mogą być pył drzewny, tlenki

żelaza

lub utwardzany piasek odlewniczy. Piasek zawierający skaleń ma mniejszą rozszerzalność

cieplną niż czysty piasek kwarcowy i niższą temperaturę spiekania, dlatego jest często

stosowany w celu zapobieżenia wadom odlewu związanym z rozszerzalnością cieplną.

Piasek kwarcowy ma odczyn obojętny i można go stosować ze wszystkimi materiałami

wiążącymi i stopami odlewniczymi. Frakcja respirabilna krzemionki została sklasyfikowana

przez IARC jako rakotwórcza [233, IARC, 1997]. Jest to sprawa dotycząca zdrowia i

bezpieczeństwa. Prowadzone są badania w celu określenia czy następuje również

zanieczyszczenie powietrza. Ilość kwarcu w pyle jest określana przez zawartość kwarcu w

materiałach wsadowych.

W technologii mas wilgotnych bardzo istotna jest kontrola rozkładu ziarnowego. Rysunek

2.25 przedstawia typowy rozkład ziarnowy piasku kwarcowego. Rozkład ziarnowy jest

używany do obliczenia numeru (liczby) AFS (AFS = American Foundry Society-

Stowarzyszenie Odlewników Amerykańskich). Liczba AFS daje informację dotyczącą stopnia

rozdrobnienia piasku. Im wyższa liczba AFS tym piasek jest drobniejszy. Systemem

alternatywnym jest

średnia

wielkość ziarna lub MK.

Drobniejszy rodzaj piasku charakteryzuje się większą liczbą ziaren na gram, czyli większą

powierzchnią właściwą. Większa powierzchnia właściwa wymaga większego dodatku

materiału wiążącego w celu uzyskania równej wytrzymałości formy. Aby zapobiec

nadmiernemu zużyciu spoiwa odlewnie starają się stosować grubsze piaski, jednak takie które

zapewnią dobrą powierzchnię odlewu. Standardowymi liczbami AFS są 50-60. Aby uzyskać

bardzo gładką powierzchnię należy stosować drobny piasek, zwykle jeden z liczbą AFS równą

90-110. Drobne piaski są również czasami stosowane na pokrycia formy.

[110, Vito, 2001], [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003].

Rys. 2.25. Typowy rozkład ziarnowy odlewniczego piasku kwarcowego

[110, Vito, 2001]

2.5.1.1.2. Piasek chromitowy

Chromit jest rudą chromu, o wzorze chemicznym FeO⋅Cr

, która zawiera inne składniki,

takie jak tlenki magnezu i aluminium. Dla zastosowań w odlewnictwie , zawartość dwutlenku

krzemu w piasku chromitowym musi być mniejsza niż 2%, aby zapobiec spiekaniu się piasku

w niskiej temperaturze. Parametry piasku chromitowego są następujące:

gęstość: 4.3 do 4.6 kg/dm

, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm

teoretyczna temperatura topnienia: 2180

C, lecz obecność zanieczyszczeń może ją

obniżyć do 1800

przewodność temperaturowa: ponad 25% większa niż dla piasku kwarcowego,

rozszerzalność cieplna: prawidłowa, bez punktu przejścia, mniejsza niż dla piasku

kwarcowego,

odczyn pH: zazwyczaj zasadowy, od 7 do 10.

Piasek chromitowy jest bardziej ogniotrwały aniżeli piasek kwarcowy. Jest bardziej stabilny w

wysokiej temperaturze i ma większą zdolność chłodzenia. Piasek chromitowy zapewnia lepszą

jakość powierzchni dużych odlewów. Dlatego jest stosowany przy produkcji dużych odlewów

oraz w miejscach formy, w których wymagane jest chłodzenie.

[32, CAEF, 1997].

2.5.1.1.3. Piasek cyrkonowy

Cyrkon jest krzemianem cyrkonu ZrSiO

. Cyrkon jest najbardziej rozpowszechnioną rudą

cyrkonu. Parametry cyrkonu są następujące:

gęstość: 4.4 do 4.7 kg/dm

, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm

temperatura topnienia: powyżej 2000

przewodność temperaturowa: ponad 30% większa niż dla piasku kwarcowego,

rozszerzalność cieplna: prawidłowa, bez punktu przejścia, mniejsza niż dla piasku

kwarcowego.

Ogólnie biorąc parametry piasku cyrkonowego są zbliżone do parametrów piasku

chromitowego, lecz piasek cyrkonowy daje lepszą powierzchnię, gdyż jest drobniejszy. Te

właściwości fizyczne i chemiczne powodują,

że

jest stosowany przy produkcji form i rdzeni w

trudnych przypadkach, pomimo jego bardzo wysokiej ceny.

[32, CAEF, 1997], [72, ETSU, 1995]

2.5.1.1.4. Piasek oliwinowy

Piaski oliwinowe należą do grupy mineralnej zawierającej forselit, fajalit i inne. Parametry

piasku oliwinowego są następujące:

gęstość: 3.2 do 3.6 kg/dm

temperatura topnienia: forselit 1890

C, fajalit: 1205

odczyn pH: około 9.

Zasadowy odczyn pH powoduje,

że

piaski te nie nadają się do stosowania z kwaśnymi

materiałami wiążącymi.

Piasek oliwinowy jest wytwarzany przez kruszenie skał naturalnych, co wyjaśnia ich

różnorodne parametry. Jest zwykle stosowany do wytwarzania form i rdzeni w produkcji

odlewów ze staliwa manganowego. Obecność manganu uniemożliwia zastosowanie kwarcu,

gdyż te dwa składniki reagują bardzo intensywnie, dając w wyniku reakcji łatwo topliwy

związek. Odnotowana cena dostawy tego piasku w Hiszpanii wynosi 130 EUR/t (2002).

[32, CAEF, 1997], [210, Martínez de Morentin Ronda, 2002].

2.5.1.2. Materiały wiążące i inne materiały chemiczne

2.5.1.2.1. Bentonit

Bentonit jest pyłową gliną o strukturze blaszkowatej. Przez dodanie wody gliniasta struktura

pęcznieje ze względu na adsorpcję molekuł wody. W wyniku tego glina nadaje się do

wykorzystania jako materiał wiążący i może być naniesiona, aby pokryć ziarna piasku

podczas procesu mieszania.

Naturalne bentonity wapniowe nie pęcznieją i nie

żelują

podczas mieszania ich z wodą. Są

one rzadko stosowane obecnie i są używane wyłącznie do produkcji odlewów specyficznych.

Alternatywnie, bentonity te mogą być „aktywowane” przez obróbkę z sodą kaustyczną w

wyniku czego powstaje tak zwany „bentonit aktywowany sodowy”. Tego typu bentonity są

szeroko stosowane w europejskich odlewniach stopów

żelaza,

a ich parametry osiągają

parametry właściwe dla naturalnym bentonitom sodowym.

Naturalne bentonity sodowe znacznie pęcznieją podczas mieszania z wodą. Główną ich cechą

w masach wilgotnych jest duża wytrzymałość, duża tolerancja na odchyłki w zawartości

wody, duża odporność na przepalenia oraz duża trwałość w wysokiej temperaturze. Ze

względu na to,

że

są one importowane ze Stanów Zjednoczonych, gdzie są w powszechnym

użyciu, cena limituje ich użycie tylko do wysoko wartościowych odlewów staliwnych lub w

mieszankach z bentonitem aktywowanym sodowym.

Wlanie ciekłego metalu do formy odlewniczej wykonanej w masach z bentonitem powoduje

poddanie masy formierskiej działaniu wysokiej temperatury. Wysoka temperatura powoduje

usuwanie wilgoci w masy formierskiej i niszczenie struktury gliniastego materiału wiążącego

(wraz z dodatkami). Jeśli zalewany ciekłym metalem i chłodzony bentonit pozostaje poniżej

temperatury deaktywacji, jego struktura blaszkowata wraz ze zdolnością do pęcznienia czyli

wywołującą kohezję pozostaje nienaruszona. Temperatura deaktywacji jest różna dla różnych

typów bentonitów.

Ceny bentonitów zawierają się w przedziale od 70 EUR/t do 250 EUR/t, w zależności od

rodzaju

opakowania

i typu bentonitu (Czechy, 2003).

[32, CAEF, 1997], [73, ETSU, 1995], [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003].

2.5.1.2.2.

Żywice

Przez kilka ostatnich dziesięcioleci pojawiła się szeroka gama chemicznych materiałów

wiążących. Są to pojedyncze lub wieloskładnikowe systemy, które są mieszane z piaskiem

do momentu pokrycia ziarn piasku cienką warstewką tego materiału wiążącego. Po procesie

mieszania rozpoczyna się reakcja utwardzania i wiązania ziaren piasku oraz zwiększa się

wytrzymałość formy.

Żywice

mogą być podzielone ze względu na sposób utwardzania:

żywice

utwardzane w temperaturze otoczenia,

żywice

utwardzane czynnikiem gazowym,

żywice

utwardzane w wysokiej temperaturze.

Wiele ze stosowanych w odlewnictwie odmian

żywicy

zostanie omówione w rozdziale 2.5.6.

W tabeli 2.7 zestawiono zastosowanie różnych rodzajów

żywic.

Odlewnictwo Teoria.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: