Metalurgia Miedzi - Politechnika Rzeszowska
advertisement
Odlewnictwo Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17) 865-1124 Odlewnictwo Wytwarzanie części maszyn i urządzeo w skutek wypełnienia formy ciekłym metalem lub innym materiałem. Otrzymany po zakrzepnięciu przedmiot nazywa się odlewem Wspólna zasada wszystkich procesów odlewniczych a) wlanie metalu do formy, b) krzepnięcie i stygnięcie metalu w formie, c) usunięcie odlewu z formy i jego wykooczenie; 1 – forma, 2 – wnęka odtwarzająca kształt odlewu, 3 – kanały wlewowe, 4 – gotowy odlew, 5 – usunięte zbędne elementy (złom) Rynek odlewów Budownictwo, kanalizacja i instalacje architektury miejskiej 17% Budownictwo: kotły grzewcze grzejniki zawory sieci domowej wanny okucia budowlane Roboty ziemne: rury sieci wodociągowej włazy kanalizacyjne kratki ściekowe i akcesoria kanalizacyjne Instalacje architektury miejskiej: pomniki fontanny dzwony kandelabry Urządzenia przemysłowe 28% Transport: kolejnictwo okrętownictwo lotnictwo Urządzenia dla przemysłu ciężkiego: hutnictwo, kuziennictwo, kopalnictwo, dźwigi, prace ziemne Przemysł elektromaszynowy: obrabiarki, silniki, turbiny, sprężarki, piece, pompy, zawory, liczniki Maszyny rolnicze: ciągniki, sprzęt rolniczy, urządzenia nawadniające Trwałe środki konsumpcyjne i inne 55% Samochody, Motocykle, rowery: silniki przekładnie układy hamulcowe elementy zawieszenia Urządzenia elektryczne gospodarstwa domowego obudowy, części mechan. sprzętu kuchennego Przemysł optyczny, komputerowy, telekom. i medycyna obudowy kamer, komput. telefonów kom, endoprotezy1 Przemysł zbrojeniowy Historia odlewnictwa (5000 p.n.e do XIX w ) – przykłady odlewów Kalendarium epok 70 000 30 000 lat temu – nowa epoka lodowcowa, homo sapiens ogarnia Europę i odkrywa Australię 40 000 lat temu – ludzie produkują coraz lepsze narzędzia, co można uznad za początki przemysłu. Tworzą również sztukę – niewielkie rzeźby i wspaniałe malunki skalne 30 000 lat temu – pierwsi ludzie docierają do Ameryki 12 000 10 000 p.n.e. – koniec zlodowacenia i początek „środkowej epoki kamiennej” (mezolitu) 9 000 p.n.e. – najwcześniejszy wyrób metalowy z miedzi samorodnej pojawia się na Bliskim Wschodzie 7 000 p.n.e. – w Turcji i Iranie pojawia się w użyciu miedź 5 000 p.n.e. – człowiek wykorzystuje już brąz (epoka nadal nazywa się epoką kamienną) początki odlewnictwa 4 000 p.n.e. – początek młodszej epoki kamiennej (neolitu) 3 200 p.n.e. – lud Sumerów z Mezopotamii dokonuje wynalazku pisma 3 000 2 000 p.n.e. – początek epoki brązu 700 500 p.n.e. – wczesna epoka żelaza 3000 lat p.n.e. (epoka brązu) Odlewane wyroby z brązu. W 3200 roku p.n.e. w Mezopotamii wykonano odlew żaby z brązu 2450 lat p.n.e. Złoty sztylet znaleziony w Ur (Mezopotamia) datowany na ok. 2450 lat p.n.e. Zastosowanie odlewów w silnikach lotniczych XX w. Struktura równoosiowa Struktura kolumnowa Struktura monokryształu Odlewy łopatek turbiny otrzymane drogą krystalizacji kierunkowej (Francja, 1950) Zagadnienia występujące w procesach odlewniczych 1. Przygotowanie metalu Proces wytopu - przygotowanie określonych składników, stopienie ich i przeprowadzenie odpowiednich reakcji chemicznych (np. przedmuchanie kąpieli obojętnym gazem) 2. Przygotowanie form odlewniczych - trwałe lub jednorazowe 3. Zalewanie formy 4. Krzepnięcie metalu Klasyfikacja procesów odlewniczych – schemat uproszczony wykonania odlewu nie wymagający obróbki cieplnej Wykonanie oprzyrządowania (modele, rdzennice, inne) Przygotowanie masy formierskiej Przygotowanie masy rdzeniowej Formowanie Wykonanie rdzeni Montaż form Przygotowanie ciekłego metalu (wytop, obróbka pozapiecowa) Zalewanie Wybijanie odlewów Usuwanie nadlewów i układu wlewowego, oczyszczanie i wykaoczanie odlewów Kontrola i ekspedycja odlewów braki Podział metod odlewania W zależności od sposobu wprowadzania metalu do formy rozróżnia się odlewanie: Grawitacyjne Odśrodkowe Ciśnieniowe (kilkadziesiąt do kilkuset MPa) Odlewanie pod niskim ciśnieniem Zasady odlewania odśrodkowego: a)b) odlewanie odśrodkowe właściwe z poziomą i pionową osią obrotu, c) odlewanie pół-odśrodkowe, d) odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym. Zasada odlewania pod niskim ciśnieniem: a) z zastosowaniem nadciśnienia wywieranego na lustro ciekłego metalu w zbiorniku podgrzewczym, b) z zastosowaniem próżni dołączonej do wnęki formy (odlewanie z przeciwciśnieniem). Układ wlewowy 1 – zbiornik wlewowy, 2 – wlew górny, 3 – belka żużlowa, 4 – wlew doprowadzający, 5 - filtr Doprowadza metal do wnęki formy. Zatrzymuje zanieczyszczenia (żużel). Reguluje zjawiska cieplne podczas krzepnięcia. Metody kontroli ciekłego stopu Jakośd ciekłego metalu zależy od Temperatury ciekłego stopu Poziomu zanieczyszczeo metalicznych i niemetalicznych Składu chemicznego stopu Pomiar temperatury Termoelementy: RtTh30-PtRh30 (do 1800oC), Rt-Rh10Pt (1000-1400oC), Chromel-Alumet lub Fe-Konstantan (do 1000oC), Cu-Konstantan (do 350oC) Pirometry optyczne dwubarwne (do 3500oC) Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) – element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara jest wykorzystywana jako czujnik temperatury. Zjawisko Seebecka – zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Ocena zagazowania ciekłego metalu Gazymetr – do pomiaru gęstości standardowej próbki zakrzepłej przy obniżonym ciśnieniu (Straube-Pfeifer) Metoda pierwszego pęcherzyka – obniża się ciśnienie i obserwuje przy jakiej wartości pojawia się pierwszy pęcherzyk Metoda grafitowa – ciekły stop Al wlewa się do formy grafitowej i po usunięciu zanieczyszczeo ocenia liczbę pęcherzyków na powierzchni zakrzepłego stopu. Skłonnośd do tworzenia porowatości skurczowej (próba Tatura) Kokila do odlewania próbek stożkowych służących do oceny porowatości stopów Al: a) próbka, b) kokila; A – makropory, B – wgłębienia, C – pory wewnętrzne, D – materiał odlewu (sumaryczna objętośd A+B+C+D=457,7 cm3); 1 – zatyczka, 2 – wlew, 3 – pokrycie, 4 – uchwyt, 5 – przelew, 6 – górna częśd kokili, 7 – pokrycie, 8 – próbka, 9 – dolna częśd kokili Ocena lejności i odtwarzalności Spiralna próba lejności Kształt i wymiary Forma do odlewania Skłonnośd do tworzenia naprężeo własnych Kształt i wymiar próbki technologicznej (wraz z układem wlewowym) do określania skłonności żeliwa do tworzenia naprężeo odlewniczych Ocena przełomu (Al-Si lub żeliwo) Ocena składu chemicznego • Spektrometry iskrowe • Spektrometry fluorescencyjne Przykład kokilarki ręcznej z zamontowaną kokila do wykonywania niewielkich odlewów; 1 – ruchoma połówka kokili, 2 – stała połówka kokili, 3 – rdzeo, 4 – układ wlewowy, 5 – kołki ustalające, 6 – zamknięcie, 7 – prowadnica, 8 – mechanizm zębatkowy, 9 – wypychacz, 10 – płyta wypychaczy, 11 – dźwignia zębatki napędu płyty wypychaczy, 12 – stół (podstawa) Przykład kokilarki ręcznej wyposażonej w mechanizmy śrubowe z zamontowaną kokilą do wykonywania dużych odlewów (bloków cylindrowych silników wysokoprężnych) Przykład kokilarki hydraulicznej; 1 – ruchome płyty montażu połówek kokili, 2 – prowadnice kolumnowe, 3 – korpus maszyny, 4 – płyta pomocnicza, 5 – siłownik do wyciągania rdzeni do dołu, 6 – mocowanie rdzenia dolnego, 7 – trawersa górna, 8 – siłownik do wyciągania rdzeni do góry, 9 – mocowanie rdzenia górnego Rodzaje form odlewniczych a) Jednorazowe b) Trwałe (bardzo rzadko półtrwałe – grafitowe) Formy jednorazowe wykonuje się z mas formierskich (główny składnik ogniotrwały – piasek kwarcowy – zwany osnową masy). Stosowane są dwa podstawowe rodzaje mas: Z substancjami wiążącymi (piasek + dodatki z których przynajmniej jeden powoduje powstanie wytrzymałego połączenia (sklejenia ziaren osnowy) Bez substancji wiążących (połączenie uzyskiwane jest przez wytworzenie odpowiedniego stanu naprężeo w masie, tzn. duże siły występujące pomiędzy ziarnami Typy materiałów wiążących: - Lepiszcze – mineralna substancja o bardzo drobnych cząstkach (0,02 mm), w praktyce odpowiedni gatunek gliny (bentonit). Masy z lepiszczem stosowane są jako masy formierskie (nie nadają się na masy rdzeniowe, gdyż mają niewielką wytrzymałośd). Glina nie jest lepiszczem. Stanowi je mieszanina gliny i wody. Zawartośd gliny w masie wynosi 6-13%, a wody 1,54,5%. Do mas wodno-glinowych dodawane są dodatki zmniejszające skłonnośd do powstawania powierzchniowych wad odlewów, które tworzą się wskutek przypalania się masy do powierzchni odlewu. Głównym dodatkiem jest pył węglowy 3-5%. Innym rodzajem lepiszcza jest cement, masy sporządzane z dodatkiem cementu i wody – masy cementowe. Typy materiałów wiążących: - Spoiwo – substancja w stanie ciekłym rozprowadzana wokół ziaren piasku, która po nadaniu kształtu danej części formy lub rdzeniowi zestala się, wiążąc ziarna osnowy ze sobą. Spoiwa: organiczne i nieorganiczne (szkło wodne – krzemian sodu) Spoiwa organiczne: żywice syntetyczne (poliestrowe, akrylowe, fenolowe, formaldehydowe, fenolowo-mocznikowe, alkidowe. Dodawane są do piasku w ilości kilku procent. Masy na bazie żywic – bardzo rozpowszechnione Formy trwałe – wykonywane ze stopów metali: żeliwo, stal konstrukcyjna i narzędziowa, stopy Al, grafit prasowany Dwugniazdowa kokila do wykonywania odlewów pokazanych na rysunku powyżej; 1- lewa połówka kokili, 2 – prawa połówka kokili, 3 – płyta dolna, 4 – rdzenie metalowe, 5 – wypychacze, 6 – częśd wnęki formy odtwarzająca kształt odlewu, 7 – częśd wnęki odtwarzającej nadlew, 8 – częśd elementów formy, niezbędnych do usunięcia z niej zakrzepłego odlewu ( na rysunku nie pokazano niezbędnych pochyleo odlewu umożliwiających jego usunięcie). Metody wykonywania form Przebieg ręcznego wykonania formy z modelu niedzielonego Formowanie próżniowe a) Płyta modelowa b) Podgrzewanie folii c) Nałożenie folii na płytę podłączoną do odciągu próżniowego d) Nałożenie specjalnej skrzynki formierskiej e) Wypełnienie skrzynki piaskiem formierskim f) Uformowanie wlewu górnego i nałożenie folii na skrzynię g) Oddzielenie skrzyni z połówki formy podłączonej do odciągu h) Złożenie formy i zalewanie i) Doprowadzanie powietrza o ciśnieniu atmosferycznym do formy i usunięcie odlewu 1 – otwory ssące, 2 – model, 3 – płyta modelowa, 4 – skrzynia próżniowa, 5 – spirala grzewcza, 6 – folia, 7 – skrzynia formierska o specjalnej konstrukcji, 8 – przewód ssący, 9 – kanał wentylacyjny, 10 – suchy piasek kwarcowy, 11 – odlewany stop Proces pełnej formy (wypalanych modeli) Jednorazowy model, wykonany ze spienionego poliestru, wkłada się do skrzyni, w której obsypuje się go suchym piaskiem. Piasek poddaje się wibracji a następnie forma jest zalewana. Podczas zalewania styropianowy model zostaje stopiony i następnie zagazowany. Formowanie skorupowe Płyty modelowe lub rdzennice wykonane są z żeliwa i ogrzane do 250oC. Masa jest mieszaniną piasku i żywicy termoutwardzalnej (fenolowo-formaldehydowa). Osobne skorupy składa i łączy się do zalewania 1 – zbiornik z masą formierską, 2 – płyta modelowa, 3 – skorupa, 4 – piec do utwardzania skorupy. Formowanie precyzyjne metodą wytapianych model a) b) c) d) Wykonywanie modelu przez wtryskiwanie do matrycy ciekłej i łatwo topliwej masy modelowej Model z zastygłej masy modelowej wyjęty z matrycy Łączenie modeli z układem wlewowym w zestaw Wytwarzanie powłok przez zanurzenie zestawów w ciekłej masie ceramicznej w celu ukształtowania skorupy na zestawie modelowym e) Ustawienie formy skorupowej w skrzynce i zasypywanie jej suchym piaskiem kwarcowym (stosowane są też formy samonośne bez konieczności zasypywania ich w skrzynkach Formowanie precyzyjne metodą wytapianych model f) g) h) i) j) k) Wytapianie modeli i układu wlewowego z formy skorupowej Utwardzanie skorup przez wypalanie ich w piecu Zalewanie formy ciekłym metalem Otwarcie formy Czyszczenie odlewu Gotowy odlew Formowanie precyzyjne metodą wytapianych model a) Połączone modele woskowe łopatki i układu wlewowego Formy ceramiczne a) b) Formy ceramiczne: a) po wyżarzeniu, b) po nałożeniu izolacji cieplnej Wytwarzanie prototypów modeli i rdzeni – Rapid Prototyping Metoda stereolitografii Istota szybkiego wykonywania prototypów (Rapid Prototyping), w którym stosuje się metodę stereo-litografii (SL) Metoda selektywnego spajania laserowego (Selective Laser Sintering) Istota odmiany procesu szybkiego wykonywania prototypów (Rapid Prototyping), w którym stosuje się metodę selektywnego spajanie laserowego (SLS) Piec do wytwarzania odlewów Zastosowanie programów komputerowych w odlewnictwie – przykłady - symulacja zalewania formy - symulacja krzepnięcia odlewów - symulacja naprężeo w odlewie - modelowanie wielkości kształtu i liczby ziarn w odlewie - modelowanie mikrostruktury odlewu - odlewanie ciągłe Generowanie siatki elementów skooczonych a) b) c) Siatka elementów skooczonych: a) zestaw modelowy – układ wlewowy i odlewy, b) warstwa formy ceramicznej, c) warstwa izolacji cieplnej Symulacja zalewania formy a) b) c) Symulacja zapełniania wnęki formy ceramicznej po czasie: a)1,02s, b)1,76s, c)1,97 s Symulacja krystalizacji odlewów – forma bez izolacji cieplnej a) b) c) d) Rozkład temperatury podczas krystalizacji i chłodzenia odlewów łopatki w czasie: a) 57s i b) 68s, udział fazy stałej podczas krystalizacji odlewów w czasie: c) 27s, d) 47s Symulacja numeryczna rozkładu wartości temperatury w formie ceramicznej 0 min 19 min 66 min Wyniki badao – weryfikacja doświadczalna symulacji numerycznej wielkości i kształtu ziarn w starterze i selektorze Przekrój na wysokości 11 *mm+ Przekrój na wysokości 11 *mm+ Przekrój na wysokości 6 *mm+ Przekrój na wysokości 1 *mm+
