2 Produkcja form i rdzeni



Pobieranie 179.35 Kb.
Strona1/3
Data02.05.2016
Rozmiar179.35 Kb.
  1   2   3
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” (SiO2), który jest czysty w stopniu większym lub mniejszym zależnie od materiału wyjściowego. Gęstość piasku kwarcowegowynosi 2,5-2,8 kg/dm3, a jego gęstość nasypowa wynosi 1.4–1.6 kg/dm3.
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Cr2O3, 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/dm3, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm3),

  • teoretyczna temperatura topnienia: 21800C, lecz obecność zanieczyszczeń może ją obniżyć do 18000C,

  • 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 ZrSiO4. Cyrkon jest najbardziej rozpowszechnioną rudą cyrkonu. Parametry cyrkonu są następujące:


  • gęstość: 4.4 do 4.7 kg/dm3, (dla porównania piasek kwarcowy - 2,65 kg/dm3),

  • temperatura topnienia: powyżej 20000C,

  • 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/dm3,

  • temperatura topnienia: forselit 18900C, fajalit: 12050C,

  • 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.




Sposób utwardza-nia

Rodzaj żywicy (nazwa handlo-wa)

Zasto-sowanie przy produ-kcji form

Zastoso-wanie przy produ-kcji rdzeni

Tempe-ratura utwar-dzania

Czas utwar-dzania

(*)

Rodzaj metalu

Wielkość serii

W temperaturze otoczenia

Furano-wa

średniej wielkości, duże

czasami

10-300C

10-120 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Fenolo-wa

duże

nie stosuje się

10-300C

10-180 min

Stopy żelaza

małoseryjna i wielkoseryjna

Poliure-tanowa (pepset,/pentex)

małe, duże

czasami

10-300C

5-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Rezolo-wo-estrowa (alfaset)

małe, duże

czasami

10-300C

5-400 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Produkcja małoseryjna i wielkoseryjna

Alkidowa

duże

czasami

10-300C

50 min

staliwo

Małoseryjna

Krze-mianowe – szkło wodne

średniej wielkości, duże

nie stosuje się

10-300C

1-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Małoseryjna, średnioseryjna

Utwardzane czynnikiem gazowym

Fenolo-wa/fura-nowa1 (Hardox)

małe

stosuje się

10-300C

<60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Poliure-tanowe (cold-box)

małe

stosuje się

10-300C

<60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Rezolo-wa (betaset)

małe

stosuje się

10-300C

<60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Akrylo-wo/epo-ksydowa (isoset)

nie stosuje się

stosuje się

10-300C

<60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Krzemi-anowe

małe

stosuje się

10-300C

<60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wszystkie typy

Utwardzana w wyniku oddziaływania termicznego

Olejowe

małe

stosuje się

180-2400C

10-60 min

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Małoseryjna

Warm-box

rzadko

stosuje się

150-2200C

20-60 s

Stopy żelaza

Średnioseryjna, Wielkoseryjna

Hot-box

rzadko

stosuje się

220-2500C

20-60 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Średnioseryjna, Wielkoseryjna

Croning

stosuje się

stosuje się

250-2700C

120-180 s

Stopy żelaza i metali nieżelaznych

Wielkoseryjna

*) czas wyciągania – czas po którym forma/rdzeń osiągną wytrzymałość umożliwiającą usunięcie modelu

1) nie stosowane przy produkcji <20 ton/dzień

Tabela 2.7. Przegląd różnych odmian żywic i ich zastosowań

[110, Vito, 2001].



2.5.1.2.3. Pył węglowy
Pył węglowy jest zwykle dodawany do mas z bentonitem służących do wykonania form zalewanych żeliwem. W ograniczonym zakresie jest też stosowany przy wykonywaniu odlewów z metali nieżelaznych. Pył węglowy może być w niewielkich ilościach mieszany z żywicami i olejami. Podczas odlewania następuje degradacja termiczna która powoduje powstanie „węgla błyszczącego”, który poprawia jakość powierzchni odlewu i jego wybijalność. Pył węglowy jest dodawany do masy formierskiej z trzech względów:


  • dla wywołania atmosfery obojętnej we wnęce formy podczas odlewania, poprzez spalanie produktów organicznych (węglowych), które z kolei powodują spowolnienie utleniania się metalu (powstawanie żużla),

  • dla ograniczenia penetracji metalu w formę (ziarna kwarcu), poprzez osadzanie warstewki grafitu, która powoduje również powstawanie gładkiej powierzchni odlewu,

  • dla ograniczenia ilości masy formierskiej pozostającej przy powierzchni odlewu po wybiciu.

Poza powstawaniem czarnego, lepkiego pyłu podczas przeładunku, pył węglowy może zawierać lub powodować powstanie podczas odlewania wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA-ang. PAH).


W odlewnictwie staliwa pył węglowy nie jest stosowany ze względu na przechodzenie węgla do stopu. Z tego względu jest zwykle zastępowany naturalnymi materiałami wiążącymi, takimi jak skrobia czy dekstryna.
Istnieje wiele materiałów zastępujących pył węglowy. Zawierają one mieszanki wysoko –lotnych i tworzących węgiel błyszczący materiałów łączonych z gliną. Zwykle te materiały są mniej szkodliwe dla środowiska naturalnego niż pył węglowy; powodują powstawanie mniejszej ilości dymów podczas odlewania, jakkolwiek niektóre z materiałów zastępujących pył węglowy powodują powstawanie większej ilości WWA.

[174, Brown, 2000], [225, TWG, 2003]


2.5.1.2.4. Roślinne materiały wiążące
Są one używane głównie w odlewniach staliwa w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości mas formierskich z bentonitem. Rozróżnia się dwa główne rodzaje tych materiałów: skrobię i dekstrynę. Skrobia jest materiałem o odczynie zasadowym i jest produkowana z licznych roślin uprawnych; skrobia kukurydziana jest najczęściej stosowaną odlewnictwie. Dekstryna jest produktem wtórnej polimeryzacji skrobii, który powstaje przez poddanie skrobii działaniu kwasami i wysoką temperaturą.
Skrobia zapobiega wadom odlewów, związanym z rozszerzalnością, ze względu na to, że przy wypalaniu umożliwia bowiem zajście procesu deformacji piasku bez deformacji formy. Materiały wiążące tego typu zwiększają wytrzymałość i twardość formy, lecz mogą zmniejszyć płynność masy formierskiej. Dekstryna polepsza płynność i zachowanie wilgotności, zapobiegając wysychaniu i kruchości krawędzi form.
Dodatek tych materiałów nie polepsza wytrzymałości formy na erozję i na penetrację metalu w głąb formy.

[174, Brown, 2000], [175, Brown, 1999]



2.5.1.2.5. Tlenek żelaza
Tlenek żelaza reaguje z kwarcem w wysokiej temperaturze, tworząc niskotopliwy składnik fajalit. Ten szklisty, plastyczny produkt powoduje spiekanie się ziaren. Tlenek żelaza jest głównie stosowany przy produkcji rdzeni, w celu ograniczenia powstawania żyłek. [110, Vito, 2001]
2.5.1.3. Układ wlewowy, wlewy doprowadzające, zasilanie i filtracja
Poszczególne części układu wlewowego i doprowadzającego zostały przedstawione na rysunku 2.26. Układ wlewowy spełnia następujące funkcje:


  • reguluje przepływ ciekłego metalu do wnętrza formy na poziomie wymaganym do uniknięcia wad odlewu zwanych, zimne krople,

  • zapobiega turbulencji metalu wpływającego do formy,

  • zapobiega wpływaniu żużla i zanieczyszczeń znajdujących się w metalu do wnętrza formy,

  • zapobiega zderzeniu strumienia metalu wpływającego z dużą prędkością do wnęki formy z rdzeniami i powierzchniami formy,

  • wywołuje gradient temperatury wewnątrz odlewu, przez co umożliwia wykonania zdrowego odlewu.


Rys. 2.26. Elementy układu wlewowego [237, HUT, 2003]


Podczas projektowania układu wlewowego należy wziąć pod uwagę obecność żużla i innych zanieczyszczeń metalu wlewanego do formy, które mogą zmienić parametry metalu, np.:


  • w żeliwie z grafitem płatkowym możne być obecny żużel piecowy lecz ciekły metal nie zawiera wtrąceń spowodowanych utlenianiem,

  • żeliwo sferoidalne zawiera krzemian magnezu i zanieczyszczenia siarczkowe, powstające podczas zabiegu sferoidyzacji,

  • staliwo jest podatne na utlenianie i powstawanie żużla,

  • stopy aluminium (i brązy aluminiowe) ulegają utlenianiu, przez co na powierzchniach mających kontakt z powietrzem bardzo szybko tworzy się warstewka tlenków.

Zanieczyszczenia w odlewach staliwnych mogą powstawać przez wychwytywanie z żużla, erozji pieca czy wyłożenia materiału ogniotrwałego kadzi lub z procesu odtleniania. W obecnym czasie stosuje się procesy filtracji w celu zredukowania obecności zanieczyszczeń. Zastosowanie filtrów ceramicznych wprowadziło pewne utrudnienia w fazie projektowania układu wlewowego. Różne stosowane rodzaje filtrów zostały przedstawione na rysunku 2.27.


Rys. 2.27. Stosowane w odlewnictwie typy filtrów

[237, HUT, 2003]

  1   2   3


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna