4. procesy i technologie stosowane w odlewnictwie_przegląd sektora

Rozdział 2

2. PROCESY I TECHNOLOGIE STOSOWANE W ODLEWNICTWIE

2.1. Przegląd

2.1.1. Proces odlewniczy

Rys. 2.1. Schemat procesu odlewniczego

Ogólny schemat procesu odlewniczego przedstawiono na rys. 2.1. Proces ten można podzielić na następujące podstawowe działania:- wytapianie metalu i jego obróbka w stanie ciekłym; miejsce realizacji:

wytapialnia,- wykonywanie form odlewniczych; miejsce realizacji: formiernia,- wypełnianie form ciekłym metalem; ochładzanie metalu i usuwanie odlewów z

form; miejsce realizacji: stanowisko odlewania,

Kużnictwo i przemysł odlewniczy

Topienie- stopy żelaza:• żeliwiak• piec indukcyjny• piec łukowy• piec obrotowy- m. nieżelazne:• piec indukcyjny• piec szybowy• piec tyglowy• piec płomienny

Obróbka metalu

Wytwarzanie form trwałych

Wytwarzanie form jednorazowych - forma piaskowa

- rdzeń piaskowy

- wkładki

- modele•drewno, tworzywo

szt., metal- model jednoraz.• żywica, wosk

Formowanie ręczneFormowanie automatyczne

.

Odlewanie- odlewanie grawitacyjne - wysokociśnieniowe-odlewanie przy użyciu kadzi przechylnych - odśrodkowe- niskociśnieniowe - ciągłe

Chłodzenie

Wybijanie/Wyjmowanie

Przygotowanie masy formierskiej

Regeneracja masy formierskiej

Wykańczanie-usunięcie układu wlewowego-śrutowanie-obróbka mechaniczna-obróbka cieplna

Surowce, substancje chemiczne, modele, formy

Gotowy odlewMasa formierskaLegenda:

13

Rozdział 2

- wykończanie odlewów surowych; miejsce realizacji: wykańczalnia odlewów.

Wychodząc od złomu odlewniczego (złomu spełniającego określone warunki dotyczące składu chemicznego) odlewnia wytwarza gotowe odlewy. Zwykle są to części (komponenty), wymagające dalszej obróbki bądź montażu w celu uzyskania końcowych wyrobów.

Główna różnica pod względem technologii formy obejmuje stosowanie form trwałych bądź nietrwałych. Odlewnie stosujące formy trwałe (formy metalowe, kokile) nabywają je u zewnętrznych dostawców, dysponują jednak zazwyczaj własnymi warsztatami naprawy i konserwacji form. Odlewnie stosujące technologię form nietrwałych (jednorazowych) zamawiają często modele wykonywane z drewna lub z tworzyw sztucznych w modelarniach obcych wg własnych projektów form, dysponując zarazem własnymi warsztatami naprawy i konserwacji modeli. Formy i rdzenie są na ogół wytwarzane w ramach ogólnych procesów odlewniczych.

Główny podział w odlewnictwie to podział na odlewnie stopów żelaza i odlewnie stopów metali nieżelaznych. Podział ten wynika z różnych technologii stosowanych dla obydwu tych grup stopów odlewniczych. Odlewnie metali nieżelaznych stosują często technologie odlewania kokilowego. Pozwala to na uzyskiwanie lepszej jakości powierzchni odlewów, co jest często bardzo istotne przy wytwarzaniu odlewów ze stopów aluminium i miedzi. W warunkach dużej szybkości chłodzenia metalu w formie uzyskuje się odlewy o dużej wytrzymałości mechanicznej. Ta metoda nie pozwala jednak na wytarzanie odlewów masywnych oraz odlewów o dużych gabarytach. Konieczne jest wówczas wykorzystywanie technologii form piaskowych. Odlewanie w formach piaskowych znajduje zastosowanie w odlewniach metali nieżelaznych w przypadkach produkowania odlewów jednostkowych lub w krótkich seriach. W niniejszym opracowaniu rozważa się następujące metale nieżelazne i ich stopy: - aluminium,- magnez,- miedź,- cynk, - ołów.

W odlewniach stopów żelaza stosuje się na ogół technologie form jednorazowego użytku. Dzięki swej sztywności i wytrzymałości obszary stosowania stopów żelaza różnią się od obszarów stosowania metali nieżelaznych. Rozmiary produkowanych tu odlewów są praktycznie nieograniczone. Stopy metali żelaznych charakteryzują się większymi wartościami temperatury topnienia i dlatego wymagają odmiennych pieców do ich wytapiania. Rozważanymi w niniejszym dokumencie stopy żelaza to różne rodzaje żeliwa (można je klasyfikować wg ich właściwości lub postaci grafitu) i staliwa.

Superstopy o znacznej zawartości pierwiastków stopowych, np. niklu, zostaną również omówione w niniejszym opracowaniu.

Mechanizacja i automatyzacja znajdują zastosowanie w odlewniach zależnie od wymaganego stopnia powtarzalności właściwości wytwarzanych odlewów oraz od wielkości serii. Najbardziej elastyczne rozwiązanie stanowią odlewnie handlowe. Wytwarzają one duże liczby rodzajów odlewów w krótkich seriach (poniżej 100 sztuk). Odlewnie tego typu stosują z zasady ręczne techniki wykonywania form z mas

Kużnictwo i przemysł odlewniczy 14

Rozdział 2

wiązanych żywicami. Do wytapiania metalu stosuje się w nich na ogół piece typu naczyniowego, takie jak elektryczne piece indukcyjne bądź piece bębnowe obrotowe.

W przypadkach wytwarzania odlewów w seriach średniej wielkości (poniżej 1000 sztuk) stosuje się zmechanizowane linie formowania i odlewania. Odlewnie, stosujące formy jednorazowego użytku, posługują się odpowiednimi maszynami formierskimi. Narzuca to stosowanie wilgotnych mas formierskich, co pozwala na formowanie z dużą szybkością. Odlewanie może następować ręcznie lub przy stosowaniu maszyn rozlewniczych. Procesy pomocnicze, np. przygotowywanie mas formierskich mogą być prowadzone w sposób półautomatyczny, ze zdalnym sterowaniem. W użyciu bywają zarówno piece szybowe ciągłego działania (żeliwiaki) bądź piece typu naczyniowego. Dla stopów metali nieżelaznych stosuje się techniki odlewania ciśnieniowego.

Duże serie małych odlewów są uzyskiwane przy stosowaniu formowania bezskrzynkowego w formach z wilgotnej masy. W specyficznych przypadkach odlewanie ciśnieniowe znajduje zastosowanie również dla odlewów ze stopów żelaza, jeżeli tylko znajduje to uzasadnienie w wymaganiach dotyczących końcowej jakości odlewów; w rzeczywistości jednak przypadki takie należą do rzadkości. Głównej różnicy technologii średnioseryjnej w stosunku do małoseryjnej należy się doszukiwać w zwiększonym stopniu automatyzacji procesu wykańczania, kontroli jakości montażu form. W przypadku kokilowego odlewania stopów metali nieżelaznych wprowadza się również automatyzację w większym zakresie, szczególnie w odlewniach ciśnieniowych

Jeżeli wymaga tego rodzaj odlewów, wprowadza się specjalne metody odlewania, a mianowicie odlewanie z zastosowaniem techniki pełnej formy, odlewanie odśrodkowe i/lub ciągłe.

2.1.2. Odlewanie żeliwa

Żeliwo jest to stop żelaza z węglem, zawierający zwykle 2,4 - 4 % C1. Minimalna zawartość węgla w tym stopie wynosi 1,8% . Żeliwo zawiera również różne ilości krzemu, manganu, siarki i fosforu. W specjalnych rodzajach żeliwa występują również różne ilości niklu, chromu i innych pierwiastków. Dzięki znacznej zawartości węgla żeliwo odznacza się niską temperaturą topnienia i lepszą lejnością w porównaniu ze staliwem. Plastyczność tego tworzywa jest mała, co wyklucza przeróbkę plastyczną wyrobów, taką jak walcowanie bądź kucie. Zmiany tego stanu rzeczy można wprowadzić, stosując różne wartości stosunku zawartości w stopie węgla do krzemu, wprowadzanie pierwiastków stopowych lub stosując obróbkę cieplną2.

W zależności od stężenia węgla i postaci wydzieleń grafitu występujących w żeliwie (płatkowe, kulkowe), można wyróżnić:- żeliwo z grafitem płatkowym, - żeliwo z grafitem kulkowym (zwane też żeliwem sferoidalnym),- żeliwo z grafitem wermikularnym. Klasyfikacji żeliwa dokonuje się często wg jego właściwości materiałowych:

1 Ściśle biorąc żeliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o takiej zawartości węgla, która zapewnia krzepnięcie końcowej fazy w temperaturze eutektycznej, co odpowiada punktowi E’ na wykresie równowagi stopów żelaza z węglem; dla podwójnego stopu Fe-C zawartość ta wynosi co najmniej 2,08% (przyp. tłum.).

2 Istotną poprawę plastyczności żeliwa osiąga się nadając wydzieleniom grafitu w żeliwie postć kulkową (przyp. tłum.).


Rozdział 2

- żeliwo szare: jest to żeliwo o szarym wyglądzie przełomu; mimo iż termin ten dotyczy żeliwa o dowolnej postaci grafitu, zwykle stosuje się go do żeliwa z grafitem płatkowym;

- żeliwo plastyczne: jest to żeliwo o zwiększonej plastyczności jako jednego z efektów zabiegu sferoidyzowania; termin ten stosuje się jednak również do żeliwa ciągliwego. W praktyce termin „żeliwo plastyczne” jest traktowane jako synonim terminu „żeliwo sferoidalne”.

- żeliwo ciągliwe: jest to żeliwo podatne na przeróbkę plastyczną; właściwość tę zawdzięcza ono małej zawartości węgla, pozostającej w dużym stopniu w postaci związanej3.

3 To dotyczy tylko żeliwa ciągliwego białego; w żeliwie ciągliwym czarnm w całości, a w żeliwie ciągliwym perlitycznym w przeważającej części, węgiel występuje w postaci grafitu (przyp. tłum.)


Rozdział 2

Żeliwo można wytapiać w żeliwiakach, w elektrycznych piecach indukcyjnych (zwykle tyglowych, bardzo rzadko w piecach indukcyjnych kanałowych) lub w płomiennych piecach bębnowych obrotowych. Piece elektryczne łukowe stosuje się bardzo rzadko do wytapiania żeliwa. Na rys. 2.2 przedstawiono schemat technologiczny procesu wytapiania żeliwa w piecach trzech różnych rodzajów. Proces składa się, ogólnie biorąc, z etapów: topienia – spustu – obróbki metalurgicznej w stanie ciekłym - odlewania. Różne szczegóły procesów topienia i obróbki metalurgicznej ciekłego metalu będą przedmiotem dyskusji w dalszej części niniejszego opracowania. Obróbka metalurgiczna obejmuje takie operacje jak: odsiarczanie sferoidyzowanie, modyfikowanie i odżużlanie. W przypadku procesu żeliwiakowego etap odsiarczania może być włączany do etapu sferoidyzowania; ma to miejsce np. w przypadku stosowania metody przewodu elastycznego (zwanej też metodą drutową), gdy do żeliwa wprowadza się równocześnie środek sferoidyzujący i odsiarczający.


Rozdział 2

Rys. 2.2. Schemat procesu wytapiania żeliwa i obróbki metalurgicznej ciekłego metalu [32, CAEF, 1997]

Kuźnictwo i przemysł odlewniczy17

Rozdział 2

Żeliwiak jest wiodącym urządzeniem do wytwarzania żeliwa w Europie. W Zachodniej Europie wytapia się w żeliwiakach około 55 % żeliwa. Owa dominująca pozycja żeliwiaka staje się obecnie coraz bardziej zagrożona z uwagi na koszty instalacji do koniecznego oczyszczania gazów emitowanych z żeliwiaków. Wskutek tego liczne jednostki topiące małej i średniej wydajności są zamieniane na piece elektryczne lub piece płomienne z palnikami tlenowo-gazowymi. Liczba żeliwiaków w europejskich odlewniach ulega więc zmniejszeniu przy zwiększającej się zarazem wydajności (pojemności) poszczególnych pieców. Na europejskim rynku pieców do wytapiania żeliwa dokonuje się obecnie istotna zmiana, głównie wskutek restrukturyzacji przemysłu koksowego, prowadzącej do zmniejszania się liczby dostawców koksu i konieczności jego importu do odlewni europejskich. Inną dużą zmianą jest zmniejszająca się liczba wytwórców żeliwiaków w Europie; praktycznie, w zakresie produkcji żeliwiaków z gorącym dmuchem jedna firma niemiecka uzyskała status quasi-monopolisty w tym zakresie. Szerokostosowane są technologie wytwarzania rdzeni cold-box aminowy i hot-box. W przypadku większości seryjnie wytwarzanych odlewów żeliwnych stosuje się technologie wykonywania form w wilgotnych masach piaskowych z rdzeniami wiązanymi spoiwami żywicznymi.

W przypadkach konieczności zapewnienia odlewom dużej dokładności wymiarowej i odpowiedniej gładkości powierzchni stosuje się formy skorupowe, uzyskiwane metodą Croninga. Metoda pełnej formy (metoda zgazowywanych modeli) znajduje ograniczone zastosowanie przy seryjnym wytwarzaniu odlewów. Odlewy jednostkowe są wykonywane z zastosowaniem form piaskowych wiązanych chemicznie. Niektóre rodzaje odlewów żeliwnych są wytwarzane z zastosowaniem specjalnych technologii formowania piaskowego, takich jak np. formowanie próżniowe i full moulding. W niektórych odlewniach żeliwa stosuje się formy trwałe (kokile); na przeszkodzie w szerszym ich rozpowszechnieniu stoi jednak mała trwałość form (kilka tysięcy odlewów) [156, Godinot], [174, Brown, 2000].

2.1.3. Odlewanie staliwa

Staliwo (stal przeznaczona na odlewy) jest materiałem o stężeniu (masowym) żelaza większym niż jakiegokolwiek innego pierwiastka; zawartość węgla w nim jest zazwyczaj mniejsza niż 2%, a obok występują niektóre inne pierwiastki. Niektóre rodzaje żeliwa chromowego zawierają ponad 2% C, ale za graniczną wartość stężenia węgla, która oddziela się żeliwo od staliwa, uważa się 2% [201, CEN, 2000] (por. przypis 1). Szczególne użyteczną cechą staliwa jest możliwość przerabiania go na gorąco. Staliwo niskostopowe zawiera: Mn, Cr, Ni, i Mo w ilościach mniejszych niż 5%. Staliwo wysokostopowe zawiera ponad 5% pierwiastków stopowych, np. 12% Cr i 8% Ni. Specjalne gatunki staliwa wykazują zwiększone wskaźniki jakościowe, np. większą wytrzymałość, większą przenikalność magnetyczną, większą odporność na korozję, na zmęczenie bądź na zużycie ścierne oraz na działanie niskiej i wysokiej temperatur, a także zwiększoną podatność na spawanie.

Stal przeznaczoną na odlewy wytapia się zwykle w elektrycznych piecach łukowych (EPŁ) lub w tyglowych piecach indukcyjnych (TPI). Po stopieniu metal może być poddawany procesom świeżenia (tj. usunięcia nadmiaru węgla, krzemu, siarki i fosforu) i odtleniania (tj. redukcji tlenków metali), w zależności od jakości materiałów wsadowych i wymaganej jakości staliwa. Na rys. 2.3. przedstawiono schematy technologiczne procesów wytapiania i obróbki metalurgicznej ciekłej stali wytapianej w różnych piecach [32, CAEF, 1997].


Rozdział 2

Rys. 2.3.Schemat procesu wytapiania stali na odlewy i obróbki metalurgicznej ciekłego metalu [32, CAEF, 1997]


Rozdział 2

2.1.4. Odlewanie aluminium

Około 2/3 wszystkich odlewów ze stopów aluminium jest przeznaczona dla przemysłu motoryzacyjnego, tj. do produkcji samochodów osobowych i ciężarowych oraz autobusów, a także osprzętu kolejowego i lotniczego. Zainteresowanie tym tworzywem zwiększyło się równocześnie z wysiłkami podejmowanym w celu zmniejszenia zużycia paliwa poprzez ograniczenia masy pojazdów. Całkowity udział masowy aluminium w europejskich pojazdach zwiększył się dwukrotnie w ciągu ostatniej dekady ubiegłego wieku. Owo zwiększenie się wykorzystywania aluminium w największym sektorze jego stosowania było równoznaczne ze zwiększeniem produkcji odlewów ze stop Al.

Aluminium odlewa się głównie do form trwałych. Udział poszczególnych technologii odlewania stopów aluminium zestawiono w tabeli 2.1.

Sposób odlewania Udział, %Odlewanie ciśnieniowe w kokilach 59Odlewanie kokilowe pod obniżonym ciśnieniem i odlewanie grawitacyjne 37Odlewanie do form piaskowych 3Inne 1

Tabela 2.1. Udział poszczególnych technologii odlewania przy wytwarzaniu odlewów ze stopów aluminium

Różnorodność pieców do wytapiania stopów aluminium jest bardzo duża, a ich dobór zależy od indywidualnych wymagań producenta. Zastosowanie znajdują piece z pośrednim i bezpośrednim źródłem ciepła, którym może być paliwo bądź energia elektryczna. Zwykle stosowanymi tu rodzajami paliwa są: gaz ziemny, gaz płynny (LPG) i olej opałowy. Preferowany jest gaz ziemny ze względu na dogodność jego stosowania. Energia elektryczna bywa stosowana w piecach oporowych lub indukcyjnych. Piece elektryczne stosuje się obecnie w przypadkach zapotrzebowania na ciekły metal, przekraczającego 10 t/h. W przypadkach małego zapotrzebowania na ciekły metal (poniżej 5 t/h) stosowane bywają, zarówno do wytapiania metalu jak i do jego przetrzymywania, piece szybowe i tyglowe. Małe i średnie opiece tyglowe znajdują zastosowanie głównie przy często zmienianych rodzajach metalu i przy małym jego zapotrzebowaniu godzinowym.

Piece elektryczne nadają się szczególnie do przetrzymywania stopionego metalu. W ciągu całego procesu nie wydzielają się bowiem spaliny, zużycie energii jest małe4, a metal uzyskuje jednakowa temperaturę w całej jego objętości5.

Materiałem wyjściowym do wytapiani stopów aluminium w odlewniach są zazwyczaj gąski aluminium, w niektórych przypadkach jest ono jednak dostarczane również w stanie ciekłym. Przetapianie złomu aluminium w odlewniach należy do rzadkości i w niniejszym dokumencie nie jest przedmiotem rozważań. Jest ono dyskutowane w dokumencie NDT w odniesieniu do przemysłu metali nieżelaznych [48, ETSU, 1994], [148, Eurofine, 202], [155, European IPPC Bureau, 2001].

2.1.5. Odlewanie magnezu4 Zużycie energii jest bardzo duże jeżeli uwzględni się małą sprawność cieplną elektrowni cieplnych (przyp. tłum.).5 To dotyczy tylko pieców indukcyjnych tyglowych (przyp. tłum.).


Rozdział 2

Odlewy ze stopów magnezu stosuje się w lotnictwie, motoryzacji i w urządzeniach elektronicznych. Główną zaletą, przesądzającą o ich stosowaniu, jest mała gęstość magnesu: przeciętna gęstość stopów magnezu wynosi 1,8 g/cm3 wobec 2,7 g/cm3 stopów aluminium. Aluminium jest podstawowym pierwiastkiem stopowym odlewniczych stopów magnezu z cynkiem i manganem, zawartymi również w stopach tego rodzaju w niewielkiej ilości. Najbardziej rozpowszechniony, z uwagi na niską temperaturę odlewania (650-700oC), jest proces odlewania ciśnieniowego w kokilach; przy zastosowaniu maszyn odlewniczych zarówno z gorącą jak z zimną komorą. Odlewanie do form z mas piaskowych spotyka się rzadziej. Grubość ścianek magnezowych odlewów kokilowych może być mniejsza od grubości ścianek odlewów aluminium, w tych pierwszych występują jednak problemy ze sztywnością. Przy mniejszej grubości ścianek mniejszy wypada koszt odlewu, co w odpowiednim stopniu kompensuje wyższą cenę stopu. Odlewy, szczególnie bardziej obciążane w czasie ich eksploatacji, wykonuje się również metodą kokilowego odlewania grawitacyjnego oraz metodą odlewania do form piaskowych. Stosowanie odlewów ze stopów magnezu w przemyśle motoryzacyjnym stale się rozszerza – niektóre pojazdy zawierają już 10-20 kg części wykonanych jako odlewy z takich stopów. Do najpopularniejszych odlewów ze stopów tego rodzaju można zaliczyć: podpory desek rozdzielczych, belki poprzeczne pojazdów, napędy kół i ramy siedzeń. Ciekłe stopy magnezu reagują z ceramicznym materiałem tygli, zanieczyszczając kąpiel krzemem. Dlatego stosuje się tygle stalowe. Wprawdzie żelazo rozpuszcza się również w magnezie, lecz jego obecność w stopach magnezu nie jest tak szkodliwa jak obecność krzemu. Z tego samego powodu zwraca się szczególną uwagę na staranne czyszczenie złomu z przywartej do niego masy.

Z uwagi na skłonność do utleniania się i zanieczyszczania się wtrąceniami niemetalowymi stopy magnezu wytapia się pod pokryciem z żużla rafinującego lub pod gazem obojętnym. Podczas wytrzymywania metalu po jego stopieniu i podczas odlewania pokrywa się kąpiel proszkami spełniającymi rolę inhibitora; dodaje się je również do masy formierskiej, aby zapobiegać reakcjom chemicznym z metalem. Bezżużlowe wytapianie stopów magnezu wymaga innej techniki ochrony kąpieli. W tym celu stosuje się sześciofluorek siarki SF6, tworzący na powierzchni kąpieli magnezowej film chroniący ją przed utlenianiem. Jest on naprowadzany w małym stężeniu (poniżej 0,3% obj.) w postaci mieszanki z powietrzem lub powietrzem i CO2. SF6 jest gazem cieplarnianymi i podpada pod konwencję z Kioto (jego emisja musi być minimalizowana). Austria i Dania wprowadziły zakaz stosowania tego gazu, poczynając odpowiednio od 2003 i 2006 r..

Właściwości stopów magnezu ulegają poprawie przez modyfikujące oddziaływanie środków węglonośnych, powodujące rozdrobnienie ziaren struktury odlewów. Jako modyfikatora stosowano heksa-chloroetan w tym przypadku od 1.07.2003 r z powodów ekologicznych i zdrowotnych został wprowadzony zakaz stosowania w Europie jako atmosfery ochronnej.. Zakaz dotycz również stosowania tego modyfikatora do stopów aluminium.

2.1.6. Wytapianie stopów miedzi

Miedź jest stosowana w postaci odlewów wykonywanych z różnych grup stopów, w których ten pierwiastek odgrywa rolę dominującą. Poniżej opisano kilka ważniejszych spośród nich:

- Stopy o dużej przewodności: te stopy są stosowane ze względu na duże wartości ich przewodności elektrycznej i cieplnej; wykonuje się z nich np. dysze wielkopiecowe i


Rozdział 2

dysze do żeliwiaków z gorącym dmuchem, chłodzone wodą uchwyty elektrod, elementy aparatury łączeniowej itp.

- Mosiądze: stopy Cu-Zn, w których cynk jest głównym pierwiastkiem stopowym. Odznaczają się one dobrą lejnością, skrawalnością oraz dużą odpornością na korozję w powietrzu i świeżej wodzi. Są one szeroko stosowane na łączniki kanalizacyjne. Brązy wysokowytrzymałe zawierają więcej pierwiastków stopowych i znajdują zastosowanie w budownictwie okrętów. Mosiądze są odlewane zarówno do form piaskowych jak i kokil.

- Brązy cynowe: stopy Cu-Sn, w których cyna jest głównym pierwiastkiem stopowym. Przy zawartości 10-12% Sn są one droższe od mosiądzów. Wykazują dużą odporność na korozję i nadają się do kontaktów z wodą zakwaszoną, wodą zasilającą kotły parowe itp. Stopy wysokocynowe znajdują zastosowanie ze względu na swe dobre właściwości trybologiczne. Są one odlewane głównie do form piaskowych i metodą odśrodkową.

- Brązy fosforowe: są to brązy cynowe z dodatkiem 0,4-1,0% P. Mają większą twardość lecz mniejszą plastyczność niż brązy cynowe. Są stosowane na wysoko obciążone łożyska pracujące w warunkach dużych wartości szybkości kątowej współpracujących elementów oraz na koła zębate, np. koła ślimakowe.

- Brązy ołowiowe: stopy Cu-Sn-Pb. Stopy te są stosowane niemal wyłącznie na średnio obciążane łożyska.

- Spiż armatni: stopy Cu-Sn-Zn-Pb. Są to najkorzystniejsze stopy do odlewania w formach piaskowych. Wykazują dobrą kombinację lejności, skrawalności, wytrzymałości i odporności na korozję. Wytwarza się z nich skomplikowane, szczelne odlewy, takie jak zawory i pompy, a także łożyska o średnim obciążeniu i średnich wartościach szybkości współpracujących elementów.

- Brązy aluminiowe: Stopy Cu-Al, w których Al jest głównym pierwiastkiem stopowym. Łączą w sobie wysoką wytrzymałość z dużą odpornością na korozję. Ich zastosownie sięga od ozdobnych elementów architektonicznych do silnie obciążanych części maszyn i urządzeń. Znajdują liczne zastosowania w okrętownictwie, włącznie ze śrubami okrętowymi, pompami i zaworami. Technologia ich wytwarzania nie różni się od wykonywania odlewów ze stopów aluminium.

- Stopy miedziowo-niklowe: stopy Cu-Ni, w których głównym pierwiastkiem stopowym jest nikiel. Znajdują zastosowanie przede wszystkim dla systemów rurociągów okrętowych pracujących w różnych warunków.

- Stopy miedziowo-berylowe: Beryl nadaje odlewom miedziowym szczególnie dużą odporność na korozję i dużej wytrzymałości mechanicznej. W tym obszarze mieszczą się takie odlewy, jak nurniki dla maszyn do odlewania ciśnieniowego, odlewy precyzyjne dla przemysłu urządzeń elektrycznych i mechanicznych, do wytwarzania zegarów, narzędzi i instrumentów pomiarowych. Wykorzystuje się przy tym dwa rodzaje stopów: stop miedziowo-berylowy o zawartości 2% Be i stop miedziowo-kobaltowo-berylowy o zawartości 0,5% Be. Zarysowuje się tendencja do zmniejszania zawartości berylu w tych stopach, bądź do jego całkowitej eliminacji ze względu na jego rakotwórcze oddziaływanie. Omawiane stopy odlewa się w kokilach, stosując metodę ciśnieniową lub grawitacyjną. Przy wytwarzaniu odlewów precyzyjnych stosuje się metodę traconego wosku [175, Brown, 1999].

2.1.7. Odlewanie stopów cynku


Rozdział 2

Do wytwarzania odlewów ze stopów cynku stosuje się niemal wyłącznie technologię kokilowego odlewania ciśnieniowego. W UE znajdują zastosowanie głównie dwa stopy, ujęte w tabeli 2.2. Noszą one tradycyjną nazwę ZAMAK. Podstawę tych stopów stanowi czysty cynk.

Symbol Numer stopu Al, % Cu, % Mg, %

ZnAl4Cu1 ZP0410 3,7 – 4,3 0,7 – 1,2 0,025 – 0,06

ZnAl4 ZP0400 3,7 – 4,3 0,25 0,025 – 0,06

Tabela 2.2. Skład chemiczny najczęściej stosowanych stopów cynku

Stopy cynku są wytapiane niemal wyłącznie w maszynach odlewniczych z gorącą komorą. W rzadkich przypadkach, tylko w warunkach zwiększonej produkcji, stosuje się centralne stanowiska wytapiania.

Stopy cynku maja właściwości zbliżone do właściwości stopów aluminium. Główne różnice sprowadzają się do niższej temperatury topnienia i większej gęstości stopów cynku (6,7 g/cm3) w porównaniu ze stopami aluminium (2,6-2,7 g/cm3). Stopy te znajdują zastosowanie głównie do wytwarzania drobnych, cienkościennych odlewów, wymagających dużej precyzji wykonania. Charakteryzują się również większą szybkością odlewania, zapewniając 10-krotnie większą trwałość kokil (800 000 do 1200 000 wtrysków), co czyni je bardzo przydatnymi do wielkoseryjnej produkcji drobnych odlewów. Stopy cynku wytapia się w tyglach żeliwnych podgrzewanych elektrycznie lub za pomocą spalin odpowiedniego paliwa i odlewane za pomocą maszyn ciśnieniowych z gorąca komorą. Odlewy tego typu są stosowane np. w przemyśle motoryzacyjnym i elektronicznym oraz w budowie maszyn.

2.1.8. Odlewanie ołowiu

Ołów jest niskotopliwym (temperatura topnienia 327oC) metalem ciężkim. Jest on metalem stosunkowo miękkim, odpornym na korozję o dobrych właściwościach samosmarujących. Jest stosowany na blachę akumulatorową, na materiał ekranowy dla promieni X i do urządzeń nuklearnych, a także jako materiał balastowy i przeciwciężarowy. Stosowane są głównie techniki odlewania ciśnieniowego i grawitacyjnego.

2.1.9. Odlewanie superstopów

Pod tym pojęciem rozumie się najczęściej stopy na bazie Ni, Ni-Fe i Co, w których pierwiastkami stopowymi są: Cr, Ti, W, Al. Pierwotnie były one stosowane na odlewy eksploatowane w wysokiej temperaturze (powyżej 810oC) albo w warunkach kontaktu z silnie korodującymi mediami. Superstopy należy odróżnić od wysokostopowych rodzajów stali (patrz rozdz. 2.1.3). Z uwagi na to, że żelazo nie jest w nich pierwiastkiem dominującym, są one zaliczane do grupy metali nieżelaznych. Odlewy z superstopów są wykonywane w niektórych odlewniach, specjalizujących się w produkcji odlewów precyzyjnych bądź odlewów ze staliwa wysokostopowego.

Stopy na bazie niklu zawierają zwykle ponad 50% Ni i poniżej 10% Fe. Są one na ogół umacniane wydzieleniami międzymetalicznymi w osnowie austenitycznej. Stopy na bazie


Rozdział 2

kobaltu odznaczają się dużą zawartością Co (40-70 %) oraz znacznymi ilościami Cr (ponad 20%) i W (7-15 %); są one umacniane kombinacją węglików i utwardzaczy w roztworze stałym. Niektóre superstopy, zwłaszcza stopy na bazie Ni-Fe i Co, są wytapiane bezpośrednio w piecach elektrycznych, według technologii stosowanej zwykle przy wytapianiu stali nierdzewnej. Jednak dla stopów Ni i specjalnych stopów Ni-Fe konieczne jest, w celu istotnego zmniejszenia stężenia gazów międzywęzłowych (O, H, N), zastosowanie technologii wytapiania w próżniowych piecach indukcyjnych. W ten sposób można otrzymywać odlewy, zawierające duże i łatwo kontrolowane ilości pierwiastków o dużym powinowactwie z tlenem, takich jak Ti bądź Al.

Regulowanie stężenia gazów międzywęzłowych i łatwo się utleniających pierwiastków ma duże znaczenie dla właściwości mechanicznych i antykorozyjnych omawianych stopów oraz niezawodności wykonywanych z nich odlewów. Na ogół superstopy uzyskują ostateczną postać jako odlewy, których nie można poddawać obróbce skrawaniem. Dlatego też są one wykonywane zasadniczo metodą odlewania precyzyjnego (przy stosowaniu form ceramicznych), dzięki czemu uzyskuje się wyroby o bardzo dużej dokładności wymiarowej i bardzo dobrej gładkości powierzchni. Inne procesy, takie jak HIP (hot isostatic pressing – prasowanie izostatyczne na gorąco) mogą znajdować zastosowanie w celu wyeliminowania porowatości wewnętrznej, mogącej wystąpić w odlewach o dużych rozmiarach. Do wytwarzania rur rozgałęźnych lotniczych turbin gazowych znajduje zwykle zastosowanie technologia odlewania kierunkowego. Technologia ta eliminuje granice ziarn i znacznie zwieksza wytrzymałośc materiału.

Superstopy stosowano pierwotnie do wytwarzania odlewów, eksploatowanych w warunkach wysokiej temperatury. Obszar ich stosowania stale się jednak poszerza, obejmując dziedziny z zakresu kriogeniki, a także ortopedii ogólnej i dentystycznej. Superstopy są stosowane przede wszystkim w gazowych turbinach lotniczych i przemysłowych, w reaktorach atomowych, w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych, w przemyśle petrochemicznym i w nowoczesnej medycynie [202,TWG, 2002].


4. procesy i technologie stosowane w odlewnictwie_przegląd sektora

Documents