1

Branko Bauer Ivana Mihalic

OSNOVE TEHNOLOGIJE LIJEVANJA

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAGREB

2012

2

SADRŽAJ

1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.1.1. 4.2.1.2. 4.2.1.3. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5. 4.2.6. 4.2.7. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6. 4.3.7. 5. 5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.3. 5.4. 5.5. 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.3.

UVOD Lijevanje ingota Kontinuirani lijev Lijevanje odljevaka Primjena odljevaka s prednostima i nedostacima POSTUPCI LIJEVANJA I KALUPLJENJA KONSTRUKCIJA ODLJEVKA, MODELA I JEZGRENIKA PROIZVODNJA ODLJEVAKA U KALUPIMA ZA JEDNOKRATNU PRIMJENU Kalupni materijali, veziva, dodaci i premazi Postupci izrade jednokratnih kalupa Pješčani lijev - lijevanje u kalupnu mješavinu Postupak sa svježom kalupnom mješavinom (vezivo glina-voda) No bake postupak (Hladni postupak smola-očvršćivač) Postupak vodeno staklo-CO2

Postupak cement-pijesak Postupak zamrzivanja Vakuumsko kalupljnje Školjkasti lijev Precizni (točni) lijev Lijevanje u pune kalupe Postupci izrade jezgri No bake postupak izrade jezgri Cold Box postupak (Postupak sa plinskim očvršćivanjem) Hot Box postupak Warm Box postupak Školjkasti postupak (Croning) Postupak sa vodenim staklom (CO2 postupak) Kalupljenje pomoću jezgri PROIZVODNJA ODLJEVAKA U KALUPIMA ZA VIŠEKRATNU PRIMJENU Kokilni lijev Kalupi za kokilni lijev Premazivanje kalupa Temperatura kalupa Tlačni lijev Tlačni lijev s toplom komorom Tlačni lijev s hladnom komorom Kalupi za tlačni lijev Niskotlačni lijev Protutlačni lijev Centrifugalni lijev TALIONIČKE PEĆI Kupolke Plamene peći Plamene peći s loncem Plinske koritaste plamene peći za taljenje aluminijskih legura Elektrootporne peći

1 3 3 4 5 10 14 17 17 21 23 23 31 32 33 33 33 34 39 45 50 51 51 52 52 52 53 53 54 54 56 58 59 61 62 65 68 71 74 75 80 80 82 82 82 83

3

6.4. 6.5. 6.5.1. 6.5.2. 7. 8. 9. 9.1. 9.2. 10. 10.1. 10.1.1. 11. 11.1. 11.1.1. 11.1.2. 11.1.2.1. 11.1.2.2. 11.1.2.3. 11.1.2.4. 11.1.2.5. 11.2. 11.2.1. 11.2.2. 11.2.3. 11.2.4. 11.2.5. 11.2.6. 11.2.7. 12.

Elektrolučne peći Indukcijske peći Indukcijska peć s loncem Kanalna indukcijska peć LJEVAČKI LONCI PROCES SKRUĆIVANJA NAKNADNA OBRADA ODLJEVAKA Čišćenje odljevaka Toplinska obrada Kontrola procesa lijevanja Osiguranje kvalitete Greške na odljevcima METALI ZA LIJEVANJE – LIJEVOVI Željezne ljevačke legure Čelični lijev Željezni lijev Sivi lijev Bijeli (tvrdi) lijev Temper (kovkasti) lijev Nodularni (žilavi) lijev Vermikularni lijev Neželjezne legure za lijevanje Aluminij i legure aluminija Magnezij i legure magnezija Bakar i legure bakra Cink i legure cinka Olovo i legure olova Kositar i legure kositra Nikal i legure nikla LITERATURA

83 84 84 86 86 88 92 92 93 93 93 95 98 99 101 102 103 104 105 106 107 107 108 110 111 112 113 113 114 115

1

1. UVOD

Lijevanje je tehnologija oblikovanja predmeta kojom se rastaljeni metal oblikuje ulijevanjem u kalup, u kojem skrućivanjem poprima oblik i dimenzije kalupne šupljine. Lijevanje se koristi više od 5000 godina za proizvodnju odljevaka definiranog geometrijskog oblika i svojstava. U tom razdoblju tehnologija se kontinuirano razvijala, tako da se danas mogu proizvesti visoko zahtjevne metalne komponente komplicirane geometrije pomoću najmodernijih mehaniziranih i automatiziranih uređaja, slika 1.1. Izrada dobrih odljevaka traži veliku vještinu jer proces nastajanja odljevka nije vidljiv, odnosno metal popunjava zatvoreni kalup. Za razvoj ljevačkih postupaka, potrebna su znanja iz područja kemije, nauke o metalima, fizike, mineralogije, strojarstva, elektrotehnike i metalurgije.

Slika 1.1. Odljevci za stražnji ovjes porschea (Porsche, Weissach).

Kako se kod lijevanja geometrija izratka stvara iz početno tekućeg metala, koji skrućivanjem postaje odljevak odnosno kruto tijelo, lijevanje se ubraja u postupke praoblikovanja. Prema normi DIN 8580 praoblikovanje (lijevanje) predstavlja jedan od šest proizvodnih postupaka koji su prikazani u tablici 1.1.

Tablica 1.1. Podjela proizvodnih postupaka prema DIN 8580.

Promjena Stvoriti povezanost

Zadržati povezanost

Umanjiti Umnožiti povezanost povezanost

Oblika Svojstava materijala

Glavna grupa 1 Praoblikovanje (Stvaranje oblika)

Glavna grupa 2 Preoblikovanje

Glavna grupa 3 Glavna grupa 4 Odvajanje Spajanje

Glavna grupa 5 Prevlačenje (oslojavanje) Glavna grupa 6

Promjena svojstava izratka - prestrukturiranje Premještanjem Izlučivanjem Unošenjem

čestica tvari

Praoblikovanje je proizvodnja čvrstog tijela od bezobličnih tvari stvaranjem povezanosti čestica. Pritom nastaje početna struktura koja definira početna svojstva materijala. Bezoblične tvari su: plinovi, tekućine, prašci, vlakna, strugotine i granulati. Većina praoblikovanih dijelova proizvodi se iz tekućeg stanja.

U tehnološkom procesu proizvodnje pojedinačnih dijelova, praoblikovanje (lijevanje) predstavlja početno stanje svih metalnih dijelova, slika 1.2.

2

Slika 1.2. Praoblikovanje (lijevanje) u tehnološkom procesu proizvodnje dijelova.

S obzirom na glavne grupe proizvodnih postupaka dobiva se tijek procesa prikazan slikom 1.3. Pritom u biti razlikujemo dvije varijante procesa. Ovisno o načinu lijevanja taljevine, odnosno varijanti procesa slijede različiti postupci i operacije kojima se od praoblika dobiva gotov proizvod.

Slika 1.3. Tijek proizvodnog procesa.

Dobivanje sirovine

Dobivanje metala

Taljevina Ljevačka industrija Metalurgija

Lijevanje ingota Kontinuirani lijev

Praoblikovanje

Odvajanje PROIZVOD

Lijevanje u kalup

Odvajanje

Glavna grupa

Praoblikovanje

Preoblikovanje

Odvajanje

Promjena

svojstava izratka

Prevlačenje

1. Varijanta procesa 2. Varijanta procesa

Lijevanje ingota ili

kontinuirani lijev

Valjanje

Kovanje

Obrada odvajanjem

čestica

Obrada odvajanjem

čestica

Lijevanje u kalup

Toplinska

obrada

Toplinska

obrada

Nanošenje boje Nanošenje boje

Gotov proizvod

1.1. Lijevanje ingota

Lijevanje ingota je diskontinuirani proces. Stalni metalnipopunjavaju se tekućim metalom Odvođenjem topline taljevina skrućnamjenjen daljnjoj obradi proizvodnim postupcima glavnih grupa, npr. toplinsko rezanje, naknadno valjanje ili kovanje. naknadno valjanje. Može iznositi kalupu dok ne završi skrućivanje.

1.2. Kontinuirani lijev

Razvijen zbog složene pripreme kokila za ingote, njihovih ograničvisokog udjela materijala za kootvorenu bakrenu kokilu hlađrubova prema sredini i pomicanjem prema dolje nastaje beskonačslika 1.6. Za ubrzanje hlađenja koristirežu na određenu mjeru i nakon toga ako je površina dobre kvalitete prolaze kroz pećna vruće valjanje i tako nastaje potpuno kontinuirani proces proizvodnje proizvoda od č

Mogu se lijevati i aluminijske i bakrene legure.zapadnom svijetu. Prednosti u odnosu na ingoteproduktivnost, bolja prilagodba oblika za daljnje preoblikovanje (valjanje).

Slika 1.5. Kontinuirani lijev.

3

e diskontinuirani proces. Stalni metalni kalupi (kokile) ćim metalom uljevanjem s gornje strane ili kroz uljevni sustav

evina skrućuje i nastaju ingoti, koji predstavljajunamjenjen daljnjoj obradi proizvodnim postupcima glavnih grupa, npr. toplinsko rezanje, naknadno valjanje ili kovanje. Veličina ingota ovisi o kapacitetu primarnih valjaka za

nadno valjanje. Može iznositi 4 do 30 t i više ako su predviđeni za kovanje. ćivanje.

Slika 1.4. Lijevanje ingota.

Razvijen zbog složene pripreme kokila za ingote, njihovih ograničenja u dimenzijama i visokog udjela materijala za kompenzaciju usahlina u pojilima. Rastaljeni metal uljeva se u otvorenu bakrenu kokilu hlađenu vodom, slika 1.5. Odvođenjem topline talina skrućrubova prema sredini i pomicanjem prema dolje nastaje beskonačna metalna gredica ili traka

đenja koristi se sekundarno hlađenje vodenim sprejom.đenu mjeru i nakon toga ako je površina dobre kvalitete prolaze kroz peć

će valjanje i tako nastaje potpuno kontinuirani proces proizvodnje proizvoda od č

i aluminijske i bakrene legure. Na ovaj način proizvodi se 80zapadnom svijetu. Prednosti u odnosu na ingote su: smanjenje gubitaka metala na pojila, već

produktivnost, bolja prilagodba oblika za daljnje preoblikovanje (valjanje).

Kontinuirani lijev. 1 Bakrena kokila, 2 Hlađenje, 3 Gredica, 4 Startni blok

(kokile) za ingote uljevanjem s gornje strane ili kroz uljevni sustav, slika 1.4.

koji predstavljaju poluproizvod namjenjen daljnjoj obradi proizvodnim postupcima glavnih grupa, npr. toplinsko rezanje,

čina ingota ovisi o kapacitetu primarnih valjaka za kovanje. Ingot ostaje u

čenja u dimenzijama i Rastaljeni metal uljeva se u

đenjem topline talina skrućuje od čna metalna gredica ili traka,

đenje vodenim sprejom. Gredice se đenu mjeru i nakon toga ako je površina dobre kvalitete prolaze kroz peć i odlaze

će valjanje i tako nastaje potpuno kontinuirani proces proizvodnje proizvoda od čelika. čin proizvodi se 80-90% čelika u

: smanjenje gubitaka metala na pojila, veća produktivnost, bolja prilagodba oblika za daljnje preoblikovanje (valjanje).

đenje, 3 Gredica, 4 Startni blok

4

trake cijevi i profili

Slika 1.6. Kontinuirano lijevani poluproizvodi.

1.3. Lijevanje odljevaka

Koristi se za proizvodnju metalnih izradaka različitih oblika i debljina stijenki. Rastaljeni metal uljeva se pod djelovanjem gravitacije ili neke druge sile u kalupe, u kojima je napravljena šupljina definiranog geometrijskog oblika. Kalupi pritom mogu biti od nemetalnih materijala (pretežno kvarcni pijesak) ili od metala (pretežno željezne legure). Za vrijeme lijevanja i skrućivanja metal djeluje na kalup mehanički, toplinski i kemijski. Nakon skrućivanja tekućeg metala, kalup od nemetalnih materijala se razruši i izvadi se odljevak, dok kod metalnog kalupa otvaranje omogućuje vađenje odljevka. Teži se lijevanju odljevaka čiji je oblik nakon lijevanja što sličniji željenom (definiran nacrtom), što je dovelo do razvoja postupaka lijevanja s povećanom točnošću. Na slikama 1.7. i 1.8. prikazan je kalup od nemetalnih materijala i u njemu proizvedeni odljevak sa uljevnim sustavom potrebnim za punjenje kalupa i pojilima.

1 Kuka za dizalicu, 2 Jezgra, 3 Uljevni sustav, 4 Pojila, 5 Kalupnik

Slika 1.7. Ljevački kalup sa jezgrom i uljevnim sustavom

Slika 1.8. Odljevak sa uljevnim sustavom

1.4. Primjena odljevaka s prednostima i nedostacima

Lijevanje je jedan od najstarijih i najdjelotvornijih načproduktivnost i laka mogućnost izrademasovnu proizvodnju. Kako skrućproizvodnost. Zbog velike proizvodnosti postupak je pogodan i za automatiziranu proizvodnju. To je često puta i jednini izraditi vrlo veliki i složeni dijelovi s unumasivna kućišta strojeva, slika 1.9

Slika 1.9. Blok velikog brodskogduljine 12,8 m i mase 52,5 t, materijal nodularni lijev

Lijevati se mogu i vrlo mali dijelovi

Slika 1.10. Kopč

Postupkom lijevanja moguće je neke dijednom, slika 1.11..

5

s prednostima i nedostacima

Lijevanje je jedan od najstarijih i najdjelotvornijih načina oblikovanja ćnost izrade replika čine ga iznimno pogodnim za serijsku i

Kako skrućivanje traje relativno kratko, moguće je ostvariti visoku Zbog velike proizvodnosti postupak je pogodan i za automatiziranu

često puta i jednini postupak u pojedinačnoj proizvodnjisloženi dijelovi s unutarnjim šupljinama, npr. blokovi

slika 1.9.

brodskog diesel motora od mase 92,6 t i postolja alatnih strojevaduljine 12,8 m i mase 52,5 t, materijal nodularni lijev.

Lijevati se mogu i vrlo mali dijelovi od nekoliko grama, slika 1.10.

Kopče mase 50 g i broj za kodiranje mase 0,08 g.

će je neke dijelovi koji bi se inače radili iz više komada odliti u

čina oblikovanja proizvoda. Visoka iznimno pogodnim za serijsku i

će je ostvariti visoku Zbog velike proizvodnosti postupak je pogodan i za automatiziranu

čnoj proizvodnji kojim se mogu npr. blokovi motora, velika i

olja alatnih strojeva

broj za kodiranje mase 0,08 g.

če radili iz više komada odliti u

a)

Slika 1.11. Smanjenje broja komponentimjedi, lijevo - 34 dijela vijč

zavarena čelična konstrukcija od 12 djelova, desno c) vrata airbusa od Al

Najvažniji partneri ljevačke induststrojogradnja slika 1.9. i 1.13slika 1.9. i 1.14., tračnička vozila, energetikaindustrija, umjetnički lijev slika 1.17slika 1.19.

Najveći kupac je automobilska industrija sa 40% željeznog lijeva i 80% aluminijskog lijeva.ciljem smanjenja mase automobila sve je višelakši od željeznog lijeva. Još laganiji od aluminijskih (približno 30%) su magnezijski odljevci čiji udio također raste, posebno kod velikih automobila. od 100 odljevaka. Većina tehničodljevci od jednog grama do 250 tona.

Ljevaonice mogu proizvoditi odljevke od različ

legura, aluminijskih legura, magnezijskih legura, bakrenih legura, zlata i naravno od željeznog i čeličnog lijeva. Odljevci su sve točproizvodu, sa vrlo malom naknadnom obradom.

Moderna kompjuterska tehnologija danas se koristiodljevaka i planiranju, te u kontroli procesa i kvalitete odljevaka.

Nedostaci su ograničenja u mehaničodljevcima, slabija kvaliteta povna okoliš.

6

b) c)

Smanjenje broja komponenti konstrukcije lijevanjem. a) armatur34 dijela vijčano spojenih, desno - jedan odljevak, b) držač

č čna konstrukcija od 12 djelova, desno – lijevana konstrukcija od 2 odljevka, c) vrata airbusa od Al-legure, lijevana u komadu umjesto zakivanja.

čke industrije su: automobilska industrija, slika 1.1. i 1.12.1.13., građevinska industrija i strojevi, medici

č čka vozila, energetika slika 1.15. i 1.16., zrakoplovnaslika 1.17., lijev za kućanstvo slika 1.18. i elektonič

ći kupac je automobilska industrija sa 40% željeznog lijeva i 80% aluminijskog lijeva.mase automobila sve je više aluminijskih odljevaka, koji je približno

željeznog lijeva. Još laganiji od aluminijskih (približno 30%) su magnezijski odljevci č đer raste, posebno kod velikih automobila. U osobni automobil ugrađ

ćina tehničkih sklopova nezamisliva je bez odljevaka. Proizvode se odljevci od jednog grama do 250 tona.

Ljevaonice mogu proizvoditi odljevke od različitih grupa materijala, olova, kositra, cinkovih ra, magnezijskih legura, bakrenih legura, zlata i naravno od željeznog

Odljevci su sve točnijih dimenzija i oblika približno jednakog gotovom proizvodu, sa vrlo malom naknadnom obradom.

Moderna kompjuterska tehnologija danas se koristi u cijelom procesu lijevanja; u oblikovanju odljevaka i planiranju, te u kontroli procesa i kvalitete odljevaka.

čenja u mehaničkim svojstvima (niža istezljivost), pojava poroznostikvaliteta površine kod pješčanog lijeva, opasnosti u proizvodnji i utjecaj

b) c)

rmatura za vodu od jedan odljevak, b) držač alata, lijevo -

lijevana konstrukcija od 2 odljevka, o zakivanja.

slika 1.1. i 1.12., đevinska industrija i strojevi, medicina, brodogradnja

, zrakoplovna i svemirska elektonička industrija

ći kupac je automobilska industrija sa 40% željeznog lijeva i 80% aluminijskog lijeva. S aluminijskih odljevaka, koji je približno 3 puta

željeznog lijeva. Još laganiji od aluminijskih (približno 30%) su magnezijski odljevci U osobni automobil ugrađeno je više

ć čkih sklopova nezamisliva je bez odljevaka. Proizvode se

, olova, kositra, cinkovih ra, magnezijskih legura, bakrenih legura, zlata i naravno od željeznog

čnijih dimenzija i oblika približno jednakog gotovom

u cijelom procesu lijevanja; u oblikovanju

č čkim svojstvima (niža istezljivost), pojava poroznosti u , opasnosti u proizvodnji i utjecaj

7

a)

b) c) d) e)

f) g) h) i)

Slika 1.12. Primjeri odljevaka iz automobilske industrije. a) grupe odljevaka, pogon, ovjes i dijelovi karoserije (Georg Fischer), b) blok motora V8 dizel motora, BMW 740d, željezni lijev sa vermikularnim grafitom (Ljevaonica Fritz Winter, Stadtallendoorf), c) blok motora VW, Audi, aluminijska legura AlSiCu (3 puta laganija od željeznog lijeva), d) glava i blok

motora, aluminijska legura, e) ispušna grana sa kućištem turbopunjača od austenitnog željeznog lijeva sa kuglastim grafitom, 5,2 kg (Ljevaonica Monforts, Moenchengladbach), f) kućište mjenjačke kutije, aluminijska legura (Honsel AG), g) Radilica osobnog automobila od

nodularnog lijeva (Halberg Guss, Saarbruecken), h) klip osobnog automobila, aluminijska legura (Mahle AG), i) stražnji ovjes osobnog automobila, zavarena konstrukcija odljevka od

temper lijeva i čeličnog lima (Georg Fischer +GF+, Singen)

Slika 1.13. Kućište pumpe od lijeva (Herborner Pumpenfabrik J.H.Hoffmann, Herborn)

Slika 1.15. Glavčine za vjetroelektrane od nodularnog lijeva EN GJS 4

Slika 1.16. Stator elektromotora od sivog lijeva. (FERRO-PREIS, Č

8

sivog lijeva (Herborner Pumpenfabrik

Slika 1.14. Propeler broda od aluminijske bronceCuZn35Al1, promjer 10,5 m, masa 95 t. (Mecklenburger Metallguss, Waren)

čine za vjetroelektrane od nodularnog lijeva EN GJS 400 18 LT, masa 9 t (MAN B&W Augsburg).

. Stator elektromotora od sivog , Čakovec)

Slika 1.17. Zvono.

Propeler broda od aluminijske bronce , promjer 10,5 m, masa 95 t.

(Mecklenburger Metallguss, Waren)

00 18 LT, masa 9 t

Zvono.

Slika 1.19. Tlačno lijevano kkamere, izrađeno od odljevaka magnezijske legure

Slika 1.20. Hidrant, kuć

9

Slika 1.18. Lijev za kućanstvo.

kućište laptopa (Andreas Stihl, Pruem-Weinsheim) i televizijske đeno od odljevaka magnezijske legure koja je 30% laganija od legure

kućište ventila, fazonski komadi, (MIV d.d., Varaždin).

Weinsheim) i televizijske koja je 30% laganija od legure aluminija.

, fazonski komadi, (MIV d.d., Varaždin).

10

2. POSTUPCI LIJEVANJA I KALUPLJENJA

Postupak lijevanja karakteriziraju slijedeći proizvodni koraci:

1. Priprema početnog bezobličnog materijala (od kojeg se kreće). 2. Postizanje stanja početnog materijala pogodnog za lijevanje. 3. Punjenje alata za lijevanje sa materijalom pogodnim za lijevanje. 4. Prijelaz materijala u oblikovljivo stanje, u alatu za lijevanje. 5. Vađenje oblikovanog proizvoda iz alata za lijevanje.

Navedene proizvodne korake u ljevarstvu prikazuje slika 2.1.

Slika 2.1. Proizvodni koraci postupka lijevanja.

Prilikom proizvodnje odljevka dominirajuću ulogu može imati proces lijevanja, a može i izrada kalupa. U općenitoj terminologiji, ako je primarna izrada kalupa govorimo o postupcima kalupljenja, a ako je primarna tehnologija lijevanja, o postupcima lijevanja. Postupci lijevanja, slika 2.2., dijele se prema uljevnoj sili, na gravitacijsko lijevanje i lijevanje uz primjenu tlaka. Slijedeća podjela je s obzirom na vrstu kalupa; lijevanje u kalupe za jednokratnu primjenu (izgubljeni kalupi) i lijevanje u kalupe za višekratnu primjenu (trajni ili stalni kalupi), slika 2.3. Kalupi za jednokratnu primjenu mogu se izrađivati pomoću trajnih i jednokratnih modela. Kod gravitacijskog lijeva kalup se popunjava pod djelovanjem zemljine sile teže. Brzina strujanja rastaljenog metala ovisi o visini lijevanja i o izvedbi uljevnog

11

sustava (način popunjavanja kalupne šupljine i broj skretanja taljevine). Pomoću izabranog presjeka ušća može se izračunati volumni protok, pa tako i vrijeme ulijevanja odljevka definiranog oblika i volumena. Kod lijevanja uz primjenu tlaka, ovisno o tlaku, velike su brzine strujanja rastaljenog metala, pa je vrijeme popunjavanja kalupa vrlo kratko.

Slika 2.2. Podjela postupaka lijevanja prema uljevnoj sili, te vrsti kalupa i modela.

Slika 2.3. Podjela postupaka lijevanja prema vrsti kalupa.

12

Kod lijevanja u jednokratne kalupe za izradu svakog pojedinog odljevka mora se svaki puta izraditi novi kalup, tj. kalup je jednokratno upotrebljiv, dok se kod lijevanja u stalne kalupe pomoću jednog kalupa oblikuje veliki broj odljevaka. Izbor stalnog ili jednokratnog kalupa vrlo je složen, a ovisi o tehnološkim i ekonomskim kriterijima, od kojih su najznačajniji vrsta legure koja se lijeva i veličina serije. Kalup mora biti izrađen od materijala temperaturno višestruko otpornijeg nego što je legura koja se lijeva. Zbog toga se odljevci legura višeg tališta lijevaju u jednokratne kalupe.

Najviše se odljevaka lijeva u jednokratne kalupe. U jednokratnim kalupima mogu se lijevati odljevci svih oblika i dimenzija, mogu se lijevati svi metali, a primjereni su i za pojedinačnu i za serijsku i masovnu proizvodnju. Potrebno je naglasiti da se materijal od kojeg se izrađuje jednokratni kalup ne odbacuje odmah nakon lijevanja, nego se od istog tog materijala, uz određene tehnološke zahvate, ponovno izrađuje kalup. Približno 95% se može ponovno upotrebiti, što je vrlo ekonomično. Materijal za izradu jednokratnih kalupa naziva se kalupna mješavina, a sastoji se od osnovnog materijala pijeska sa prikladnim vezivima i dodacima. Budući da se kod korištenja jednokratnih kalupa mora prije ulijevanja za svaki odljevak izraditi novi kalup, zbog svoje brojnosti ti se kalupi izrađuju u ljevaonici s posebno za tu svrhu izvedenom opremom, na tzv. kalupnim linijama.

Stalni se kalupi izrađuju od izdržljivih metalnih materijala otpornih na toplinu, obično sivog lijeva i posebnog čelika koji su prošli specifičnu toplinsku obradu. Metalni kalupi nazivaju se kokile i koriste se prvenstveno za lijevanje neželjeznih materijala. Za njihovu izradu potrebni su skupi, specijalizirani strojevi pa je ta izrada vrlo skupa (25.000 Eura na više, ovisno o složenosti odljevka). Šupljine u kokilama za budući odljevak izrađuju se strojnom obradom CNC glodanjem, pomoću eroziomata ili lijevanjem i naknadnom strojnom obradom. Troškove izrade treba raspodijeliti na proizvedene odljevke i zato se ovi kalupi primjenjuju uglavnom u velikoserijskoj i masovnoj proizvodnji. Sloboda u konstruiranju odljevaka je ograničena jer treba predvidjeti mogućnost vađenja odljevka iz kalupa. Ciklus izrade jednog odljevka je znatno kraći nego kod lijevanja u jednokratne kalupe, jer je veća brzina hlađenja odljevka nego u pješčanom kalupu. Zbog bržeg hlađenja dobiva se finija struktura (sitnije zrno) i bolja mehanička svojstva odljevka. S obzirom na njihovu veliku proizvodnost, postupci lijevanja sa stalnim kalupima primjereni su za mehanizaciju, automatizaciju i robotizaciju. Prednost trajnih kalupa je da se mogu ponovno koristiti od 1000 do 100.000 i više puta, ovisno o leguri koja se lijeva. Stalni kalupi često se sastoje od više segmenata i imaju metalne jezgre s izvlakačima, kako bi se i složeniji odljevci mogli izvaditi iz kalupa.

13

Postupci lijevanja, ljevačke legure i mase odljevaka koje se danas primjenjuju prikazane su u tablici 2.1.

Tablica 2.1. Područje primjene najčešćih postupaka lijevanja u jednokratne i trajne kalupe.

Postupak lijevanja Ljevačka legura Masa odljevka Veličina serije

Pješčani lijev

Ručno kalupljenje

sve ljevačke legure (uglavnom sivi lijev, nodularni lijev, čelik, bronca)

sve do preko 100 t (ograničeno jedino kapacitetima taljenja i transporta)

pojedinačni dijelovi, male serije

Pješčani lijev

Strojno kalupljenje

sve ljevačke legure (uglavnom sivi lijev, nodularni lijev, Al legure)

1 kg do nekoliko tona male i velike serije

Školjkasti lijev sve ljevačke legure (uglavnom sivi lijev, nodularni lijev)

1 – 150 kg srednje i velike serije

Lijevanje u pune kalupe

sivi lijev, nodularni lijev, čelik, Al legure

< 1 kg do nekoliko tona pojedinačni dijelovi, male i velike serije

Precizni (to čni) lijev sve ljevačke legure 1 g do 100 kg pojedinačni dijelovi, male i velike serije

Gravitacijski kokilni lijev

Al, Mg, Cu, Zn legure; sivi lijev, nodularni lijev

< 1 kg do 100 kg srednje i velike serije

Niskotla čni i protutla čni lijev

Al, Mg, Cu legure < 1 kg do 70 kg srednje i velike serije

Tlačni lijev Al, Mg, Cu, Zn, Sn legure i legure za tlačni lijev na bazi Pb

nekoliko grama do 60 kg, ovisno o leguri

srednje i velike serije

Na slici 2.4. prikazani su udjeli pojedinih ljevačkih postupaka u SAD-u 2009. godine.

Slika 2.4. Udjeli pojedinih ljevačkih postupaka-SAD 2009 (po masenom udjelu odlivenog metala).

3. KONSTRUKCIJA ODLJEVKA, MODELA I JEZGRENIKA

Konstrukcija odljevka mora biti u skladu s prihvać

materijala. Tehnički crtež odljevkadruge specifikacije, kao što je npr. kvaliteta površine,

Navedene informacije potrebne su za jezgrenik, može izraditi od drveta, plastike, gipsa iprevlakom otpornom na abraziju. Takođ đ

mješavine. Služi za dobivanje šupljine u kalupu. Sam ne sadrži šupljine.

Jezgra je neophodni dio kalupa, kada odljevak koji se lijeva sadrži šupljine. Jezgra šupljine u odljevku koju je potrebno d

Slika 3.1. Crtež poklopca mjenjač

Prilikom izrade modela treba obratiti pažnju na slijedeć

1. povećati dimenzije modela za iznos skupljanja u krutom stanju u ovisnosti o metalu koji se lijeva,

2. položaj i vrste jezgri, te umeće u kalup,

3. smještaj slobodnih dijelova koji su potrebni zbog podrezivanja4. odrediti ravninu dijeljenja radi lakšeg kalupljenja modela, 5. predvidjeti dodatke za naknadnu

povećati dimenzije modela6. predvidjeti skošenja na modelu za lakše razdvajanje modela od sabijene kalupne

mješavine, 7. nanjeti premaz u boji za zaštitu modela od vlage.

14

3. KONSTRUKCIJA ODLJEVKA, MODELA I JEZGRENIKA

Konstrukcija odljevka mora biti u skladu s prihvaćenim normama i podacima o vrsti crtež odljevka mora sadržavati podatke o materijalu, obliku, masi i

druge specifikacije, kao što je npr. kvaliteta površine, slika 3.1.

Navedene informacije potrebne su za oblikovanje modela i jezgrenikamože izraditi od drveta, plastike, gipsa i metala. Ako je potrebno pr

prevlakom otpornom na abraziju. Također može biti premazan za lakše vađ

Služi za dobivanje šupljine u kalupu. Sam ne sadrži šupljine.

Jezgra je neophodni dio kalupa, kada odljevak koji se lijeva sadrži šupljine. Jezgra trebno dobiti, a oblikuje se u jezgreniku od jezgrene mješavine.

Crtež poklopca mjenjačke kutije, izrada polovice modela.

dela treba obratiti pažnju na slijedeće zahtjeve:

ćati dimenzije modela za iznos skupljanja u krutom stanju u ovisnosti o metalu

položaj i vrste jezgri, te jezgrene oslonce za fiksiranje položaja jezgre koja se kasnije

ih dijelova koji su potrebni zbog podrezivanja odrediti ravninu dijeljenja radi lakšeg kalupljenja modela, predvidjeti dodatke za naknadnu strojnu obradu funkcijskih površina i na tim mjestima

ćati dimenzije modela (dodatak za obradu), predvidjeti skošenja na modelu za lakše razdvajanje modela od sabijene kalupne

nanjeti premaz u boji za zaštitu modela od vlage.

ćenim normama i podacima o vrsti rijalu, obliku, masi i

i jezgrenika. Model se kao i Ako je potrebno prevlači se

đer može biti premazan za lakše vađenje iz kalupne

Jezgra je neophodni dio kalupa, kada odljevak koji se lijeva sadrži šupljine. Jezgra ima oblik od jezgrene mješavine.

modela.

ćati dimenzije modela za iznos skupljanja u krutom stanju u ovisnosti o metalu

jezgrene oslonce za fiksiranje položaja jezgre koja se kasnije

obradu funkcijskih površina i na tim mjestima

predvidjeti skošenja na modelu za lakše razdvajanje modela od sabijene kalupne

Crtež modela prikazuje i njegov položaj u kalupu i nač

polovice, jednu za donjak i drugu za gornjak. U isto vrijeme definira se uljevni sustav i ako je potrebno sustav napajanja (vidi poglavlje

Slika 3.2a) lonac, b) mlaz taljevine, c) uljevna č

g) troskolovka, h) ušće, i) odljevak, j) jezgra, k) pojilo, l) odzračizmeđ

Uz izbor materijala i postupka lijevanja, konstrukcija mora biti prilagotako da se zadovolje zahtjevi tehnologije izrade i zahtjevi fizikalnih i mehaničproizvoda, slika 3.3. Iz tog razloga ljevač č

Dodatni zahtjevi poput dimenzijske točodljevka. Moderna proizvodnja suradnju konstruktora i ljevačiskoristiti sve mogućnosti koje nudi proces lijevanja.

Slika 3.3. Povezanost materijal

Stalno rastući zahtjevi čine upotrebu simulacijskih metoda neophodnim alatom za rješavanje zahtjevane kompleksnosti. Predviđ č

neophodno. Kompjuterske simulacije kompleksnog ljevač ć

kvalitativno i kvantitativno lociranje nevidljivih područlijevanja i rezultat njihovog djelovanja mogu se istraživati pomoć č ć

MATERIJAL

15

prikazuje i njegov položaj u kalupu i način na koji je podjeljen na dvije i drugu za gornjak. U isto vrijeme definira se uljevni sustav i ako je (vidi poglavlje Skrućivanje), slika 3.2.

2. Uljevni sustav i sustav napajanja za cijev. a) lonac, b) mlaz taljevine, c) uljevna čaša, d) spust, e) razdjelnik, f) razvodnik,

će, i) odljevak, j) jezgra, k) pojilo, l) odzračnici, m) linija dijeljenja između gornje i donje polovice kalupa.

Uz izbor materijala i postupka lijevanja, konstrukcija mora biti prilagođena procesu lijevanja tako da se zadovolje zahtjevi tehnologije izrade i zahtjevi fizikalnih i mehanič

Iz tog razloga ljevač treba biti uključen u razvoj konstrukcije odljevka. Dodatni zahtjevi poput dimenzijske točnosti, čistoće i dr. također su povezani s konstrukcijom odljevka. Moderna proizvodnja dimenzijski točnih odljevaka (eng. net shape)suradnju konstruktora i ljevača s ciljem smanjenja troškova, dodatne obrade i mase. Treba

ti koje nudi proces lijevanja.

materijal-konstrukcija-postupak lijevanja koja definira kvalitetu i funkciju odljevka.

ć čine upotrebu simulacijskih metoda neophodnim alatom za rješavanje ne kompleksnosti. Predviđanje procesa lijevanja numeričkom simulacijom postalo je

neophodno. Kompjuterske simulacije kompleksnog ljevačkog procesa omogućkvalitativno i kvantitativno lociranje nevidljivih područja problema. Varijacije parametara

anja i rezultat njihovog djelovanja mogu se istraživati pomoću računala uz moguć

KONSTRUKCIJA

MATERIJAL POSTUPAK LIJEVANJA

čin na koji je podjeljen na dvije i drugu za gornjak. U isto vrijeme definira se uljevni sustav i ako je

razdjelnik, f) razvodnik,

ć čnici, m) linija dijeljenja

đena procesu lijevanja tako da se zadovolje zahtjevi tehnologije izrade i zahtjevi fizikalnih i mehaničkih svojstava

č čen u razvoj konstrukcije odljevka. č ć đer su povezani s konstrukcijom

net shape) zahtjeva usku ča s ciljem smanjenja troškova, dodatne obrade i mase. Treba

postupak lijevanja koja definira kvalitetu i

ć čine upotrebu simulacijskih metoda neophodnim alatom za rješavanje đ čkom simulacijom postalo je

čkog procesa omogućavaju čja problema. Varijacije parametara

ć čunala uz mogućnost

POSTUPAK LIJEVANJA

16

svrsishodne optimizacije, slika 3.4. Softver može koristiti CAD modele odljevka sa uljevnim sustavom izrađene u različitim programima i omogućuje direktnu komunikaciju ljevača i konstruktora.

Slika 3.4. Optimizacija konstrukcije odljevka s uljevnim sustavom pomoću numeričke simulacije procesa lijevanja.

17

4. PROIZVODNJA ODLJEVAKA U KALUPIMA ZA JEDNOKRATNU PRIMJENU

4.1. Kalupni materijali, veziva, dodaci i premazi

Jednokratni kalupi i jezgre sastoje se od osnovnog materijala (vatrootporni mineral - pijesak), veziva i dodataka, slika 4.1. Sastav kalupne mješavine treba prilagoditi postupku kalupljenja (npr. fizikalno, kemijsko vezivanje), metalu koji se lijeva (npr. temperatura ulijevanja) i namjeni (npr. jezgra – veća propusnost za plinove od kalupa). Ako je potrebno, kalupi se dodatno mogu premazati posebnim premazima s ciljem poboljšanja kvalitete odljevka.

Slika 4.1. Sastav kalupne mješavine.

Kalup i kalupni materijal imaju odlučujući utjecaj na kvalitetu odljevka, npr. točnost dimenzija, kvalitetu površine i mikrostrukturu koja definira mehanička svojstva. Glavni zahtjevi koji se postavljaju na materijal za kalupljenje (kalupnu mješavinu) su:

1. dobra oblikovljivost 2. dovoljna čvrstoća (postojanost oblika i otpornost eroziji nakon oblikovanja, te za

vrijeme ulijevanja i skrućivanja) 3. visoka vatrootpornost 4. beznačajna nepoželjna reakcija s taljevinom 5. dovoljna propusnost za plinove (omogućavanje izlaza vrućih plinova i zraka iz jezgre i

kalupa) 6. dobra razrušivost nakon lijevanja (kako bi se odljevak mogao skupljati bez pojave

pukotina) 7. jednostavna mogućnost regeneracije-ponovnog korištenja

18

Osnovni materijali su zrnate supstance odgovarajuće vatrootpornosti. To su isprani, klasificirani prema zrnatosti i osušeni pijesci, tablica 4.1.: kvarcni, kromitni, cirkonski, olivinski i šamotni. Osnovni materijal čini najveći dio kalupne mješavine i njegov izbor ovisi o nekoliko zahtjeva; toplinska i dimenzijska stabilnost, cijena, recikliranje, otpornost na deformacije, kalupivost, propusnost i čvrstoća. Kao osnovni materijali za izradu jednokratnih kalupna najčešće se koristi kvarcni pijesak (SiO2).

Tablica 4.1. Vrste i svojstva osnovnog materijala kalupa (pijeska).

Kvarc Kromit Cirkon Olivin Šamot

Glavni sastavni dijelovi:

SiO2 (99%) FeCr2O4

(MgCr2O4) ZrSiO4

Mg2SiO4 (Fe2SiO4)

Al 2O3 SiO2

Tvrdoća po Mohsu

7 5,5 7,5 6,5 do 7 6

Gustoća g/cm3 2,6 4,5 4,5 3,3 2,6 Vatrootpornost (DIN 51063) °C

≥1700 ≥1800 ≥1750 ≥1700 ≥1700

Početak sinteriranja °C

1500...1600 iznad 1500 >1400 1300

Linearno istezanje do 600 °C u %

1,2 0,4 0,2 0,6 0,3

Dobivanje Stijene koje sadržre kvarc

Magmatske stijene Gorenjem

gline Posebnosti

Kvarcna prašina >5µm

Veće hlađenje odljevka, mala

toplinska istezljivost

Najviša vatro- otpornost, najmanje toplinsko istezanje

Neprikladan za veziva od

umjetnih smola

Primjena

Univerzalan Pretežno za čelični lijev

Pretežno za tvrdi čelični

lijev s manganom

Rijetko

Sitno zrno pijeska daje bolju kvalitetu površine odljevka, dok krupnije zrno daje bolju propusnost za plinove koji nastaju pri ulijevanju. Nepravilan oblik zrna povećava čvrstoću kalupa, ali smanjuje propusnost.

Veziva se dijele na anorganska i organska te prirodna i sintetska, Tablica 4.2. Tražena svojstva materijala za kalupljenje mogu se ciljano postići upotrebom kalupne mješavine od kvarcnog pijeska (SiO2), te gline i vode kao veziva (svježa kalupna mješavina, eng. Green Sand). Mogu se koristiti i druga veziva npr. cement, vodeno staklo i smola. Kako su jezgre izložene većim opterećenjima, u pravilu se ne izrađuju od kalupnih mješavina sa vezivom glina-voda. Jezgre se izrađuju od mješavina koje se sastoje od kvarcnog pijeska i posebnih veziva (smola, vodeno staklo ili ulje).

19

Tablica 4.2. Veziva za pijesak.

Dodaci kalupnim materijalima poboljšavaju njihova svojstva: tečljivost, sabitljivost, djelovanje veziva, sprječavaju greške zbog ekspanzije pijeska, poboljšavaju svojstva razrušivosti kalupa. Uobičajeni dodaci su: piljevina, željezni oksid, šećeri i glikol između mnogo ostalih. Neki dodaci proizvode sjajni ugljik, npr. grafit, ugljena prašina i ugljikohidrati, koji isparavaju na visokoj temperaturi i simultano se rastavljaju (krekiraju). Zrna pijeska oblože se sa sjajnim ugljikom, slika 4.2. i postaju otpornija na rastaljeni metal, odnosno spriječen je neposredni kontakt rastaljenog metala sa površinom zrna pijeska.

a) b)

Slika 4.2. Zrna pijeska obložena sjajnim ugljikom. a) dovoljna količina sjajnog ugljika obavija zrna u području metal kalupna mješavina, b) premala količina tvoritelja sjajnog

ugljika djeluje na izgaranje ugljika. U unutrašnjosti (nema kisika) dolazi do oblaganja zrna, a stijenka kalupa ostaje nezaštićena.

20

Premazi za kalupe su disperzije sitno mljevenih minerala ili vatrostalnih materijala i/ili koksa u prahu u vodenoj ili organskoj otopini, sa sustavom za vezivanje i drugim dodacima za poboljšanje svojstava primjene, slika 4.3. Premazi se nanose na površine kalupa i jezgri s zadatkom da:

1. smanje penetraciju metala u pijesak, 2. poboljšaju kvalitetu površine odljevka, 3. olakšaju razdvajanje odljevka od kalupa, 4. smanje troškove čišćenja.

Slika 4.3. Premazi popunjavaju pore i razdvajaju kalupnu mješavinu od rastaljenog metala.

21

4.2. Postupci izrade jednokratnih kalupa Postupci izrade jednokratnih kalupa i jezgri dijele se na postupke sa fizikalnim vezivanjem i postupke sa kemijskim vezivanjem zrna pijeska, slika 4.4.

Slika 4.4. Pregled postupaka izrade jednokratnih kalupa i jezgri.

Postupak izrade kalupa sa fizikalnim vezivanjem kod kojeg se koristi vezivo glina-voda, naziva se još postupak sa glinenom mješavinom, postupak sa svježom kalupnom mješavinom ili postupak kalupljenja sa sabijanjem kalupne mješavine, gdje kalupna mješavina očvršćuje fizikalno, sabijanjem oko modela. Svježa kalupna mješavina rijetko se koristi za izradu jezgri. Magnetsko kalupljenje, vakuumsko kalupljenje i kalupljenje zamrzivanjem svrstavaju se u posebne postupke kalupljenja.

Postupci sa kemijskim vezivanjem (organska i anorganska veziva) koriste se za izradu kalupa i jezgri. Do očvršćivanja kalupne odnosno jezgrene mješavine dolazi uslijed odgovarajuće kemijske reakcije veziva. Pomoću kemijskih veziva, relativno lako se dobivaju dobro povezani pješčani kalupi i jezgre. Mogu se proizvesti vrlo tvrdi kalupi. Dobivaju se dobra svojstva odljevaka, a dimenzijska točnost je također dobra. Kada se koriste kemijska veziva, treba paziti na zaštitu okoliša.

22

Organska veziva (smole) koja se dodaju kvarcnom pijesku rade na kemijskoj osnovi i mogu „vruće“ očvrsnuti dovođenjem topline (hot box, warm box, shell - školjkasti lijev), „hladno“ samoočvrsnuti (No bake) ili „hladno“ očvrsnuti uz ubrzavanje očvršćivanja propuhivanjem plina koji djeluje kao katalizator (Cold box). Za izradu jezgri koriste se svi navedeni postupci sa organskim vezivima, a najzastupljeniji je Cold box postupak. Za izradu kalupa koriste se No bake postupak i školjkasti ljev.

Anorgansko vezivo vodeno staklo (natrijev silikat) „hladno“ očvršćuje propuhivanjem plinom, ugljičnim dioksidom (CO2 postupak). Postupak se koristi za izradu jezgri i kalupa. Precizni lijev koristi anorgansko vezivo s „vrućim“ očvršćivanjem, a koristi se samo za izradu kalupa. Postupci lijevanja u keramičke kalupe, kalupe od gipsa i postupak cement-pijesak svrstavaju se u posebne postupke kalupljenja, ne koriste se za izradu jezgri, a do očvršćivanja kalupne mješavine dolazi „hladnim“ samoočvršćivanjem.

Za izradu kalupa koriste se: postupak sa sabijanjem kalupne mješavine (vezivo glina-voda), „hladni“ postupak smola-očvršćivač (No bake), postupak vodeno staklo-CO2, postupak cement-pijesak, postupak zamrzivanja, vakuumsko kalupljenje, precizni lijev, vrući postupak smola očvršćivač (školjkasti lijev) i postupak lijevanja u pune kalupe. Postupci od drugog do petog ne razlikuju se bitno s obzirom na tehnološki tijek, od prvog. Razlika je samo u tome što kvarcni pijesak nije povezan sa glinom i vodom i očvrsnut sabijanjem, već sa smolom i očvršćivačem, vodenim staklom i ugljičnim dioksidom, cementom i vodom, te vodom i sredstvom za hlađenje, koji za očvršćivanje kalupne mješavine ne zahtjevaju sabijanje, već je dovoljno nasipavanje uz pritiskanje oko modela i poravnavanje. Pod nazivom pješčani lijev (eng. Sand casting, njem. Sandguss) podrazumijevaju se prva tri postupka kalupljenja.

Pregled kalupnih mješavina za jednokratne kalupe prikazan je na slici 4.5.

Slika 4.5. Pregled kalupnih mješavina za jednokratne kalupe.

Za izradu jezgri koriste se: no bake, cold box, hot box, warm box, shell (Croning) i postupak vodeno staklo-CO2.

23

4.2.1. Pješčani lijev - lijevanje u kalupnu mješavinu

4.2.1.1. Postupak sa svježom kalupnom mješavinom (vezivo glina-voda)

Cijeli ciklus proizvodnje odljevaka u kalupima za jednokratnu primjenu sastoji se od niza glavnih i pomoćnih operacija, koje se mogu odvijati paralelno ili jedna iza druge u različitim pogonima ljevaonice. Na slici 4.6. prikazani su pojedini odjeli sa operacijama koje se u njima izvode, uz pretpostavku korištenja kalupne mješavine sa vezivom glina-voda. Na slici 4.7. prikazan je put do gotovog odljevka.

Slika 4.6. Proizvodni odjeli sa proizvodnim koracima.

Modelarnica

Izrada modela

i jezgrenika

Skladište kalupnih materijala

Skladištenje sastojaka

kalupne mješavine

Skladište materijala za lijevanje

Skladištenje metalnih

materijala

Priprema mješavina

Priprema kalupnih i

jezgrenih mješavina

Talionica

Proizvodnja tekućeg

metala

Jezgrarnica

Izrada jezgri

Kaluparnica

Izrada kalupa

Uljevna stanica

Ulijevanje u kalupe

Stanica za hlađenje i istresanje

Hlađenje odljevaka

Istresanje kalupa

Čistionica

Uklanjanje jezgri i

čišćenje odljevaka

Kontrola

Kontrola kvalitete

odljevaka

Odjel za isporuku

Pakiranje i isporuka

odljevaka

Toplinska obrada

Toplinska obrada

odljevaka

Slika 4.7. Put do gotovog odljevka. a) model, b) ruč

d) ulaganje jezgri, e) izrada jezh) talionica, i) izbijanje, k) čistionica, l) strojna obrada, m) isporuka, n) spremnik pijeska, o)

Na slici 4.8. prikazani su pojedini odjeli ljevaonice.

a)

d) e) f)

Slika 4.8. Odjeli ljevaonice. a) konstrukcija, b)plastike, c) automatska kalupna linija, donje polovice kalupa sa umetnutim jezgrama,

d) priprema metalnog zasipa za taljenje, e) ulijevanje, f) č ć

24

Put do gotovog odljevka. a) model, b) ručno kalupljenje, c) strojno kalupljenje, d) ulaganje jezgri, e) izrada jezgre, f) zatvaranje kalupa i stavljanje utega, g) ulijevanje,

h) talionica, i) izbijanje, k) čistionica, l) strojna obrada, m) isporuka, n) spremnik pijeska, o) priprema pijeska.

prikazani su pojedini odjeli ljevaonice.

b) c)

d) e) f)

Odjeli ljevaonice. a) konstrukcija, b) modelarnica, modeli i jezgrenici od drva i plastike, c) automatska kalupna linija, donje polovice kalupa sa umetnutim jezgrama,

d) priprema metalnog zasipa za taljenje, e) ulijevanje, f) čišćenje odljevaka.

čno kalupljenje, c) strojno kalupljenje, gre, f) zatvaranje kalupa i stavljanje utega, g) ulijevanje,

čistionica, l) strojna obrada, m) isporuka, n) spremnik pijeska, o)

modelarnica, modeli i jezgrenici od drva i plastike, c) automatska kalupna linija, donje polovice kalupa sa umetnutim jezgrama,

č ćenje odljevaka.

25

Priprema kalupne mješavine Kalupna mješavina proizvodi se intenzivnim miješanjem komponenti ili se nabavlja već pripremljena mješavina sa aditivima. Na slici 4.9. prikazana su dva tipa mješalica. Za izradu kalupa troši se velika količina pijeska. Kalupi se mogu raditi od modelne kalupne mješavine, koja se izrađuje od novog pijeska, veziva i dodataka, a nanosi na površinu modela u sloju debljine 3 do 5 cm. Na sloj modelne kalupne mješavine nanosi se punidbena kalupna mješavina, koja se dobiva djelomičnom regeneracijom već korištene mješavine. Radi uštede, kalupi, a ako je moguće i jezgre uobičajeno se rade od jedinstvene kalupne mješavine, koja se sastoji od već korištene regenerirane mješavine (stari pijesak) s dodacima novog pijeska i veziva. Novi pijesak koji se dodaje u sustav, treba koristiti samo za izradu jezgri i kritičnih dijelova kalupa. Iznos novog pijeska ne treba prelaziti količinu izgubljenu prilikom pripreme kalupne mješavine. Mehanizirana ljevaonica zahtijeva 5 do 12 t kalupne mješavine po toni željeznog lijeva. Novi pijesak služi i za održavanje granulacije pijeska u sustavu. Rutinska analitička kontrola kalupne mješavine (ispitivanje čvrstoće, propusnosti ..), uključujući ispitivanje uzoraka jezgri, jednako je važna kao i kontrola kvalitete rastaljenog metala. Udio škarta zbog grešaka pri kalupljenju može biti veći od udjela metalurških grešaka.

a) b)

Slika 4.9. Mješalice za izradu kalupne mješavine. a) kanalna mješalica za mješavine sa

smolom (Woehr, Aalen), b) za mješvine sa glinom (Eirich, Hardheim).

Kalupna mješavina sa vezivom glina-voda Prirodni pijesak (mješavina pijeska i gline koja se pojavljuje u prirodi) danas se rijetko koristi za izradu kalupa. Uglavnom se koriste sintetske kalupne mješavine dobivene mješanjem individualnih komponenti. Glinenena komponenta je bentonit (montmorilonit), po mogućnosti prirodni natrijev bentonit ili bentonit aktiviran ionskom izmjenom sa natrijevim karbonatom. Glavne komponente sintetske kalupne mješavine su pijesak (približno 90 %), bentonit (približno 7%) i dodatak koji tvori sjajni ugljik. Kod regenerirane mješavine zrna pjeska već su obložena sjajnim ugljikom. Dodaci koji sadrže ugljik (npr. grafit, ugljena prašina) u pravilu se dodaju bentonitnim mješavinama s ciljem smanjenja adhezije pijeska na odljevak,

26

poboljšanja površine odljevka, sprječavanja ljevačkih pogrešaka i optimiranja svojstava mješavine. Također sadrži vodu (približno 3%) koja je neophodna da dođe do vezivanja (svježa kalupna mješavina, eng. green sand). Kvaliteta kalupne mješavine ovisi o količini prisutnih sitnih čestica (nastalih abrazijom pijeska, od aktivnog i izgorjelog bentonita i karboniziranog tvoritelja sjajnog ugljika) i posebno o temperaturi mješavine, jer sadržaj vode treba održavati na niskom, ali precizno kontroliranom nivou.

Ručno kalupljenje Sabijanje sipke kalupne mješavine, nasute preko modela u kalupnik je osnova za nastajanje i očvršćivanje kontura kalupne šupljine. Pri ovom fizikalnom postupku, kao posljedica veće gustoće pakiranja nastaju sile spajanja između zrna pijeska i glinenog veziva. Tako između zrna nastaju mostovi od gline, koji kalupu daju potrebnu čvrstoću. Kalupi očvršćuju sabijanjem. Za ručnu izradu kalupa koriste se zatvoreni, a rijeđe otvoreni kalupi, slika 4.10.

Slika 4.10. Obuka iz ručne izrade zatvorenih kalupa i vađenje odljevka proizvedenog u otvorenom kalupu.

Na slici 4.11. je prikazan tijek postupka izrade odljevka koji počinje izradom nacrta. Najprije se izrađuju dvodjelni model i jezgrenik. Model služi za dobivanje šupljine u kalupu koja odgovara obliku odljevka, a jezgrenik se koristi za izradu jezgre. Jezgra se umeće u kalup i služi za dobivanje unutarnje šupljine u odljevku. Za fiksiranje jezgre u kalupu, model se mora proširiti za jezgreni oslonac. Pomoću jedne polovice modela prvo se sabija kalupna mješavina u donjem kalupniku (donjak). Nakon sabijanja donja polovica kalupa se okreće i na nju se pomoću vodilica stavlja gornji kalupnik (gornjak). Nakon postavljanja druge polovice modela i komponenti uljevnog sustava (uljevna čaša, spust, razvodnik i ušće) izvodi se sabijanje kalupne mješavine u gornjoj polovici kalupa. Kroz uljevni sustav rastaljeni metal teče u kalupnu šupljinu.

27

Slika 4.11. Tijek postupka izrade odljevka ručnim kalupljenjem.

Za kompenzacju smanjenja volumena odljevka prilikom skrućivanja i hlađenja dodaju se pojila, u kojima treba ostati manjak volumena metala odnosno poroznost, kako odljevak ne bi sadržavao usahline i poroznosti. Nakon sabijanja kalupne mješavine u gornjaku, gornjak se podiže i izvade se polovice modela i dijelovi uljevnog sustava iz polovica kalupa. One ostavljaju u sabijenoj kalupnoj mješavini negativni otisak odljevka. U otiske jezgrenih oslonaca u donjaku umeće se jezgra. Stavlja se gornjak koji se pomoću kopče spaja sa donjakom, kako ne bi došlo do podizanja gornjaka uslijed metalostatskog tlaka rastaljenog metala. Rastaljeni metal uljeva se u neosušeni, vlažni ili svježi kalup (eng. Green). Rastaljeni metal se hladi i skrućuje u kalupu. Nakon hlađenja kalup se razruši, a jezgra se izbije iz odljevka. Čišćenjem se dobiva bolja kvaliteta površine. Kalupi naknadno sušeni u pećima ili sušeni zrakom po površini imaju veću čvrstoću od svježih kalupa i koriste se za proizvodnju teških odljevaka, posebno od čelika kada se ne koristi sjajni ugljik. Kalupi od šamota koriste se za teške, debelostijene čelične odljevke.

Strojno kalupljenje

Kalupi sa svježom kalupnom mješavinom očvršćavaju sabijanjem mješavine na različitim strojevima. Razvojem modelne ploče, slika 4.12., postalo je moguće polovice kalupa izrađivati odvojeno. Pritom je na jednu modelnu ploču pričvršćena polovica modela koja oblikuje kalupnu šupljinu u donjoj polovici kalupa, a na drugu modelnu ploču polovica modela koja oblikuje kalupnu šupljinu u gornjoj polovici kalupa. Pored modela pričvršćen je i uljevni sustav sa čašom, spustom, razvodnikom i ušćima. Zbog raznolikosti serija odljevaka

koje treba proizvesti, razvijene su segmentne modelne pločmodela odljevaka ili uljevnog sustava.

Slika 4.12. Segmentna modelna ploč č

označeni jezgreni oslonci na modelu (MIV Varaždin).

Otkriće modelne ploče bilo je pretpostavka za razvoj strojeva za izradu kalupa. Glavne operacije koje stroj za kalupljenje (kalupilica) mora moćmješavine i razdvajanje polovice kalupa od modelne ploč

U ovisnosti o načinu sabijanja kalupne mješavine, razvijeni su različ

kalupljenje: treskalice, pritiskalice, pritiskalice sa membranom, pritiskalice sa više pritisnih ploča, puhalice, streljke, kalupilice sa strujanjem zraka,pjeskomet i kalupilice izvedene kao kombinacija navedenihOsim puhalice i streljke koje se mogu koristiti i za izradu jezgri od kalupne mješavine sa smolom, ostali navedeni tipovi strojeva za kalupljenje koriste se uglavnom za sabijanje kalupne mješavine s glinom i tako prvenstveno služe za izradu kalupa.

a)

Slika 4.13. Kalupilice. a) sa pritisnom ploč

28

koje treba proizvesti, razvijene su segmentne modelne ploče sa izmjenjivim segmentima uljevnog sustava.

Segmentna modelna ploča i jednodjelna ploča za gornjak i donjak. Crno su čeni jezgreni oslonci na modelu (MIV Varaždin).

ć če bilo je pretpostavka za razvoj strojeva za izradu kalupa. Glavne oj za kalupljenje (kalupilica) mora moći izvesti su: sabijanje kalupne

mješavine i razdvajanje polovice kalupa od modelne ploče.

činu sabijanja kalupne mješavine, razvijeni su različiti tipovi strojeva za e, pritiskalice, pritiskalice sa membranom, pritiskalice sa više pritisnih

, kalupilice sa strujanjem zraka, kalupilice sa zrači kalupilice izvedene kao kombinacija navedenih, slika 4.13.

koje se mogu koristiti i za izradu jezgri od kalupne mješavine sa ostali navedeni tipovi strojeva za kalupljenje koriste se uglavnom za sabijanje

kalupne mješavine s glinom i tako prvenstveno služe za izradu kalupa.

a) b)

sa pritisnom pločom, b) moderna impulsna pneumatska kalupilica.

če sa izmjenjivim segmentima

č ča za gornjak i donjak. Crno su

ć če bilo je pretpostavka za razvoj strojeva za izradu kalupa. Glavne ći izvesti su: sabijanje kalupne

č čiti tipovi strojeva za e, pritiskalice, pritiskalice sa membranom, pritiskalice sa više pritisnih

kalupilice sa zračnim impulsom,

koje se mogu koristiti i za izradu jezgri od kalupne mješavine sa ostali navedeni tipovi strojeva za kalupljenje koriste se uglavnom za sabijanje

čom, b) moderna impulsna pneumatska kalupilica.

29

Na slici 4.14. prikazano je strojno kalupljenje na ručnoj i automatskoj kalupnoj liniji. Na slici 4.15. prikazan je tlocrt automatske kalupne linije, a pojedini dijelovi linije na slici 4.16.

Slika 4.14. Strojno kalupljenje na automatskoj i ručnoj kalupnoj liniji (MIV, Varaždin).

Slika 4.15. Automatska kalupna linija.

30

Slika 4.16. Dijelovi automatske kalupne linije. (MIV, Varaždin).

Slika 4.17. prikazuje presjek kroz ljevaonicu pješčanog lijeva sa svježom kalupnom mješavinom.

Slika 4.17. Kompletna ljevaonica uključujući pripremu pijeska.

31

4.2.1.2. No bake postupak (Hladni postupak smola-očvršćivač)

Kalupna mješavina sastoji se od kvarcnog pijeska, sintetske smole, tekućeg očvšćivača i katalizatora. Prikladna je za izradu kalupa i velikih jezgri. Kalupna mješavina ima ograničeno vrijeme u kojem se mora izvršiti kalupljenje ili punjenje jezgrenika. Treba razlikovati vrijeme koje je na raspolaganju za rad sa kalupnom mješavinom i optimalno vrijeme koje treba proteći prije razdvajanja očvrsnute mješavine od modela ili jezgrenika. Na slici 4.18. prikazana je kalupna linija za No bake postupak, a na slici 4.19. ručno klaupljenje velikih odljevaka. Veziva furanske smole su kondenzati furfurilnog alkohola i formaldehida (urea modificiranog). Katalizatori koji ubrzavaju očvršćivanje su fosforna ili sumporna kiselina, a kod regeneriranog pijeska sulfonska kiselina. Dodavanje sumporne kiseline povećava brzinu očvršćivanja. Fenolne smole očvršćuju pomoću sulfonske kiseline. Moguća je kombinacija fenolnih i furanskih smola. Vezivni sustav s uretanom sastoji se od izocijanata koji očvršćuje dodatkom poliola na fenolnoj bazi u prisustvu osnovnog katalizatora.

Slika 4.18. Kalupna linija za no bake postupak pješčanog lijeva.

Slika 4.19. Veliki kalup i jezgra sa furanskim vezivom, ručno kalupljenje, No bake.

(Meuselwitz Guss, Meuselwitz).

32

4.2.1.3. Postupak vodeno staklo-CO2

Kalupna mješavina sastoji se od kvarcnog pijeska i anorganskog veziva, vodenog stakla (natrijev silikat), a priprema se u mješalici ili ručno. Nakon popunjavanja kalupnika ili jezgrenika, mješavina očvršćuje propuhivanjem plinom, ugljičnim dioksidom (CO2), slika 4.20. i 4.21. Iz tog razloga često se ovaj postupak izrade kalupa ili jezgri naziva CO2 postupak. Postupak je postao značajan za izradu jezgri, zbog brzog ciklusa izrade (10-25 s) i ekološke prihvatljivosti. U mješavinu se mogu dodati dodaci koji smanjuju upijanje vlage prilikom skladištenja kalupa i jezgri, te dodaci koji poboljšavaju razrušljivost. Nedostaci postupka su slaba razrušljivost kalupa i komplicirana regeneracija starog pijeska.

Slika 4.20. CO2 postupak izrade pojedinačnih kalupa i jezgri.

Slika 4.21. Ručno kalupljenje velikih odljevaka CO2 postupkom. (MIV, Varaždin)

33

4.2.2. Postupak cement-pijesak

Cement se koristi kao vezivo u kombinaciji sa ubrzivačima očvršćivanja. Ovaj postupak je ograničen na velike kalupe jednostavnog oblika. Zbog prašenja nije pogodan za izradu jezgri. 4.2.3. Postupak zamrzivanja

Za očvršćivanje kalupa koristi se transformacija vode u led. Osnovni materijal je kvarcni pijesak, a vezivo voda. Može se koristiti i za izradu jezgri.

4.2.4. Vakuumsko kalupljnje

Kod ovog postupka, slika 4.22., očvršćivanje kalupne mješavine odvija se stvaranjem potlaka. U tu svrhu kontura modela prekrije se folijom, na koju se zatim nasipa pijesak bez veziva, a gornja strana pijeska i kalupnik se prekriju drugom folijom. Potlak utječe na nastanak sile trenja između zrnaca pijeska, pa tako i pojavu očvršćivanja. Plastična folija debljine 0,05 do 0,1 mm, zagrijava se nekoliko sekundi da postane deformabilna. Nakon toga navlači se preko modelne ploče. Mali potlak 0,5 bara, dovoljan je za tijesno nalijeganje termoplastične folije na konturu modela. Kalupnik sa cjevovodom za odsisavanje stavlja se na folijom prekrivenu modelnu ploču. Kalupnik se ispunjava suhim pijeskom bez veziva, formira se uljevna čaša i skida višak pijeska. Sve se prekrije gornjom folijom i stvaranjem potlaka (0,5 bar) očvršćuje. Isključuje se potlak na modelnoj ploči, kako bi se omogućilo lagano vađenje modela. Donja i gornja polovica kalupa izrađuju se na jednak način i odmah nakon zatvaranja može se izvršiti ulijevanje. Potlak u kalupnicima održava se do kraja skrućivanja. Nakon hlađenja odljevka vakuum se isključuje. Kvarcni pijesak može se ponovno upotrijebiti. Postupak ne zahtijeva kemijska veziva, pa se iz ekoloških razloga sve više koristi.

1 Model, 2 Modelna ploča, 3 Naprava za vakuumiranje, 4 Grijač

6 Polovica kalupa, 7 Usisna cijev, 8 Zrač

Slika 4.22. Tijek postupka izrade kalupa vakuumskim kalupljenjem.

4.2.5. Školjkasti lijev

Školjkasti lijev (eng. Shell molding, njem. Maskenformverfahren ili Croning) predstavlja najraniji automatizirani i brzi postupak izrade kalupa i jezgri. Postupak se prvi put pojavljuje 1944. godine u Njemačkoj, a prvu većzemalja ima tijekom 1960-tih i 1970asortiman odljevaka za sve industrijske grane. Takođ č

lijeva za izradu jezgri, više od 60 % ljevaonica koristi ovaj posnaziva i Croning postupak prema pronalazač

34

ča, 3 Naprava za vakuumiranje, 4 Grijača spirala, 5 Folija, 6 Polovica kalupa, 7 Usisna cijev, 8 Zračni kanal.

Tijek postupka izrade kalupa vakuumskim kalupljenjem.

oljkasti lijev (eng. Shell molding, njem. Maskenformverfahren ili Croning) predstavlja najraniji automatizirani i brzi postupak izrade kalupa i jezgri. Postupak se prvi put pojavljuje

čkoj, a prvu veću primjenu u ljevaonicama industrijstih i 1970-tih. Danas se školjkastim lijevom proizvodi širok

asortiman odljevaka za sve industrijske grane. Također, vrlo je česta primjena školjkastog lijeva za izradu jezgri, više od 60 % ljevaonica koristi ovaj postupak za izradu jezgri. Još se naziva i Croning postupak prema pronalazaču ovog postupka.

č ča spirala, 5 Folija,

Tijek postupka izrade kalupa vakuumskim kalupljenjem.

oljkasti lijev (eng. Shell molding, njem. Maskenformverfahren ili Croning) predstavlja najraniji automatizirani i brzi postupak izrade kalupa i jezgri. Postupak se prvi put pojavljuje

č ću primjenu u ljevaonicama industrijski razvijenih tih. Danas se školjkastim lijevom proizvodi širok

đ česta primjena školjkastog tupak za izradu jezgri. Još se

35

Školjkastim lijevom izrađuju se kalupi (školjke) jednake debljine od 3 do 10 mm, ovisno o veličini i konfiguraciji odljevka. Kalupna mješavina za izradu kalupa sastoji se od kvarcnog pijeska (rijeđe cirkonskog), umjetne smole kao veziva, maziva i dodataka. Od umjetnih smola najčešće se koriste formaldehidne, alkidne i poliesterske smole. Osnovno svojstvo tih smola je da su termoplastične, tj. očvršćuju pri povišenoj temperaturi. Redovito im se dodaje i katalizator koji ubrzava očvršćivanje. Kako se upotrebom ovih smola mogu postići visoke čvrstoće kalupa i jezgre omogućena je proizvodnja šupljih jezgri i tankih kalupa uz visoku točnost dimenzija.

Maziva se dodaju u kalupnu mješavinu radi lakšeg odvajanja kalupa od metalnog modela te poboljšanja tečenja mješavine, dok se dodaci dodaju kako bi se postigla glađa površina kalupa i da bi se spriječilo pucanje kalupa.

Kalupna mješavina za školjkasti lijev može se pripremiti na dva načina:

• konvencionalnim suhim miješanjem pijeska, smole u prahu, maziva i dodataka

• oblaganjem pijeska smolom.

U praksi se puno više koristi postupak oblaganja pijeska smolom čime se dobiva tzv. obloženi pijesak. Obloženi pijesak priprema se u mješalici, miješanjem pijeska, prikladne smole s katalizatorom, maziva i aditiva. Tijekom tog miješanja pješčana se zrnca oblažu tankim slojem smole. Smola obavijena oko zrna pijeska kasnijim se grijanjem u alatima aktivira i veže zrna pijeska u određeni oblik školjke.

Dakle, kao osnovna svojstva školjkastog lijeva mogu se izdvojiti:

• kalupi i jezgre izrađuju se od pijeska obloženog smolom, • oblik kalupa, odnosno, jezgre dobiva se djelovanjem topline, • kalupi i jezgre vrlo su tankih presjeka.

Alati za izradu školjki

Za izradu kalupa i jezgri koriste se isključivo metalni modeli i jezgrenici, slika 4.23. Sastavni dijelovi alata su metalni jezgrenici koji formiraju vanjski oblik školjke te metalne model ploče i metalni modeli koji u školjci ostavljaju otisak odljevka. Metalni alati za izradu kalupa su dvodijelni. Izrađuju se lijevanjem (jednostavniji odljevci) ili strojnom obradom (povećana točnost oblika i dimenzija odljevka). Najčešći materijal za izradu alata je sivi lijev, no mogu se naći i čelični, brončani te aluminijski alati. Za izradu uljevnog sustava uglavnom se koriste isti materijal kao i za alate.

Slika 4.23. Metalna modelna ploč

Izrada kalupa Oblikovanje kalupa i jezgri za školjkasti lijev je uglavnom strojno. Mogu se koristiti različtipovi strojeva i različiti stupnjevi automatizacije, no svi rade na istom principu kontrola vremena i temperaturnih ciklusa.

Proces izrade školjkastog kalupa prika

Slika 4

36

Metalna modelna ploča, školjkasti kalup s umetnutim školjkastim jezgrama i odljevci (UG Metal, Dk).

upa i jezgri za školjkasti lijev je uglavnom strojno. Mogu se koristiti različčiti stupnjevi automatizacije, no svi rade na istom principu

kontrola vremena i temperaturnih ciklusa.

Proces izrade školjkastog kalupa prikazan je na slici 4.24.

Slika 4.24. Izrada školjkastog kalupa.

metnutim školjkastim jezgrama i

upa i jezgri za školjkasti lijev je uglavnom strojno. Mogu se koristiti različiti čiti stupnjevi automatizacije, no svi rade na istom principu – stroga

37

Koraci pri izradi školjkastog kalupa:

1. Metalni alat se pričvršćuje na limenu kutiju u koju je prethodno stavljen obloženi pijesak. Model se zatim zagrijava na temperaturu 200…230 °C.

2. Okretanje kutije zajedno s alatom za 180 °, pri čemu obloženi pijesak pada na zagrijani model. Smola se uz zagrijani model aktivira te se zrnca pijeska slijepe i oblikuju čvrstu školjku.

3. Nakon što se postigne tražena debljina školjke kutija i alat se vraćaju u početni položaj. Neočvrsnuti pijesak pada na dno kutije, dok na alatu ostaje formirana školjka.

4. Dok je još na zagrijanom modelu, školjka se prenese u posebnu peć zajedno s modelom. Dodatno pečenje radi povećanja čvrstoće.

5. Odvajanje školjke od modela. 6. Spajanje dviju školjki u kalup pomoću metalne stege. Stavljanje kalupa npr. u čeličnu

sačmu radi učvršćivanja školjki. Ulijevanje rastaljenog metala. Čelična sačma se koristi jer dobro odvodi toplinu.

7. Nakon skrućivanja metala razbija se kalup i dobiva se gotov odljevak.

Na ovaj se način proizvode školjkasti kalupi izuzetno dobrih svojstava, a na isti se način oblikuju i jezgre.

Prednosti i nedostaci postupka prikazani su u tablici 4.3., a značajke postupka prikazane su u tablici 4.4. Tablica 4.3. Prednosti i nedostaci školjkastog lijeva. Prednosti Nedostaci

• glatka površina kalupne šupljine omogućava lakše tečenje rastaljenog metala i bolju kvalitetu površine odljevka

• skuplji metani alati (modeli i jezgrenici)

• visoka dimenzijska točnost

• relativno spor proces

• mogućnost izrade složenih odljevaka • nije pogodno za pojedinačnu proizvodnju ili manje serije

• dorada često uopće nije potrebna • ograničenja s obzirom na masu i veličinu odljevka

• zbog urušljivosti kalupa ne dolazi do pojave pukotina na odljevku

• manja ograničenja s obzirom na oblik odljevka

• može se mehanizirati za velikoserijsku proizvodnju

Iako su za školjkasti lijev potrebna prilično visoka kapitalna ulaganja zbog visoke produktivnosti procesa to se ne smatra velikim nedostatkom. Također, metalne alate je moguće koristiti više puta, a i troškovi proizvodnje su dosta sniženi zbog smanjenja potrebe za čišćenjem i naknadnom obradom odljevaka.

38

Školjkastim postupkom uglavnom se u serijskoj proizvodnji lijevaju željezni i neželjezni odljevci mase 30 g do 200 kg po odljevku. Odljevci većih masa (do 500 kg) lijevaju se u pojedinačnoj proizvodnji. Tipični dijelovi izrađeni s ovim postupkom su mali do srednje veliki dijelovi koji zahtijevaju veliku preciznost, kao što su dijelovi kućišta i armatura, kućišta za hidrauliku, bregaste osovine, tijela ventila, zupčanici itd. Tablica 4.4. Značajke postupka školjkastog lijeva.

Veličina odljevka: masa: 30 g – 200 kg

Materijal: Sivi lijev Nodularni lijev

Željezni lijev

Čelični lijev Nehrđajući čelik Aluminij i Al-legure Bakar i Cu-legure Nikl i Ni-legure

Hrapavost površine - Ra: 3 - 6 µm

Tolerancije: ± 0,3 mm

Maksimalna debljina stijenke:

2 - 50 mm

Koli čina: 1000 – 1.000.000

39

4.2.6. Precizni (točni) lijev

Precizni lijev je jedan od najstarijih proizvodnih procesa. Osnovni principi ovog postupka datiraju još iz antičkog doba. Postupak „izgubljenog modela“ prvi su koristili stari Egipćani za izradu zlatnog nakita prije 5000 godina. Osim što su ga rane civilizacije koristile za izradu zlatnog nakita, često se koristio i za izradu novčića. Krajem 19. stoljeća u SAD-u se koristi za lijevanje nakita i zubala.

Značajnija industrijska primjena preciznog lijeva u ljevaonicama industrijski razvijenih zemalja javlja se tek za vrijeme Drugog svjetskog rata. Tada dolazi do masovnih zahtjeva vojne industrije za izradom složenih dijelova vojne opreme, koji su spremni za ugradnju bez velike naknadne obrade. Danas je precizni lijev uglavnom automatiziran i široko je rasprostranjen u automobilskoj, vojnoj, elektrotehničkoj, optičkoj te u industriji alata, slika 4.25.

a) b)

c) d)

Slika 4.25. Primjeri odljevaka. a) dio kirurškog instrumenta, G-X10 CrNi 18 8, Φ7x54 mm, mase 10 g, b) rotori turbina, Ni legura, masa 1,3 do 3 kg, c) različiti strukturni elementi

pogonske hidraulike od precipitacijski očvrsnutog nehrđajućeg čelika, masa 0,4 do 2,3 kg, d) lijevanje prstena od 18 karatnog zlata.

40

Osnovna karakteristika točnog lijeva je što se odljevci dobivaju lijevanjem u jednokratne kalupe izrađene također pomoću jednokratnih voštanih modela. Postupkom preciznog lijeva izrađuju se dijelovi kompliciranog oblika, čija bi izrada drugim postupcima bila otežana ili neekonomična.

Za proizvodnju odljevaka preciznim lijevom koristi se kalup koji je izrađen tako da se model od lako taljivog materijala obloži vatrostalnim materijalom. Za izradu modela najčešće se koristi vosak, mada se mogu koristiti i polimerni materijali. Vosak koji se koristi zapravo je mješavina određenih vrsta voskova, smola i modifikatora, a može sadržavati i antioksidanse i punila. Najčešće korišteni voskovi za izradu modela su parafinski vosak i vosak mikrokristalne strukture, odnosno njihova mješavina. Česti su i biljni voskovi. Od polimernih materijala najčešći je polistiren. Slijedi oblaganje vatrostalnim materijalom kojim se dobiva školjka oko modela. Kao sirovina za izradu školjke koristi se suspenzija vatrostalnog keramičkog materijala (silikat, cirkon, aluminijev silikat) u praškastom stanju i vezivne tekućine (etilsilikat ili vodeno staklo). Model se uranjanjem oblaže suspenzijom. Na svježe naneseni sloj suspenzije posipa se ljevački pijesak koji se pritom prilijepi, slika.. Pijesak podeblja sloj suspenzije, učvršćuje ga i daje hrapavu površinu na koju lako prianja sljedeći sloj suspenzije. Potrebno je 6-9 slojeva suspenzije i pijeska kako bi se postigla dovoljna debljina školjke. Između svakog uranjanja potrebno je osušiti prethodni sloj te za svaki sljedeći sloj koristiti sve krupnija zrnca pijeska. Nakon što je oblaganje završeno, grozd se ugrije kako bi se uklonio model. Model se rastali (ili otplini) i iscuri iz kalupa pri temperaturama između 180 i 500 °C. Postupak izrade školjke, odnosno kalupa, završava žarenjem pri 800-1000 °C, pri čemu školjka dodatno očvrsne, uklone se plinovi iz nje, a predgrijavanje olakšava popunjavanje šupljine rastaljenim metalom.

Izrada modela

Modeli za precizni lijev izrađuju se ubrizgavanjem voska ili polimernog materijala u poseban metalni kalup. Rjeđe se, pogotovo za manje serije odljevaka, modeli mogu izraditi strojnom obradom plastičnog materijala. Kalup za izradu modela obično se izrađuje strojnom obradom ugljičnog čelika, aluminijskih ili bakrenih legura, slika 4.26. Ukoliko tlak ubrizgavanja voska nije previsok, kalup se može izraditi lijevanjem legura niskog tališta.

Vosak se ubrizgava pri relativno niskim temperaturama i niskim tlakovima. Može se ubrizgavati vosak u tekućem, kašastom i gustom stanju. Temperature ubrizgavanja kreću se između 43 i 77 °C, a tlakovi između 275 kPA i 10.3 MPa. Općenito se tekući vosak ubrizgava pri viši temperaturama i nižem tlaku, dok se gusti vosak ubrizgava pri višim temperaturama i višem tlaku. Polimerni se materijali ubrizgavaju pri temperaturama od 177 do 260 °C i tlakovima između 27.6 i 138 MPa.

41

a) b)

c) d) e)

Slika 4.26. Precizni lijev. a) metalni kalup za izradu voštanih modela, b) grozd, c) prvo uranjanje grozda u keramičku suspenziju, d) zadnji sloj od grubog pijeska, e) odljevak

(Avalon).

Ukoliko se preciznim lijevom proizvode veliki odljevci model je pojedinačne izvedbe, dok se u slučaju malih do srednjih odljevaka obavlja ugrozdavanje. Ugrozdavanje je postupak spajanja više istih modela na jedan uljevni sustav što je puno isplativije od pojedinačne izvedbe, prvenstveno zbog uštede na vremenu i materijalu. Grozdovi za izradu turbinskih lopatica sadrže od 6 do 30 istih modela, dok se na grozdu za izradu malih hardverskih dijelova može nalaziti do 100 modela.

Većina se modela za grozdove proizvodi tako da se ubrizgavanjem izrade modeli zajedno s ušćem. Samo se modeli za veće ili kompleksnije dijelove rade po segmentima koji se kasnije spajaju lijepljenjem. Uljevni sustav (čaška i spust) ubrizgava se posebno za što se uglavnom koristi reciklirani vosak. Naknadno se modeli spajaju s uljevnim sustavom i tako čine grozd. Spajanje je uglavnom ručno pomoću električnog lemila.

Ušće voštanog sustava

Ušće odljevka

Desna pomična jezgra

42

Izrada kalupa za precizni lijev

Proces izrade kalupa za precizni lijev prikazan je na slici 4.27.

Slici 4.27. Koraci pri izradi kalupa za precizni lijev.

Koraci pri izradi kalupa za precizni lijev:

1. Izrada modela. 2. Spajanje modela u grozd - ugrozdavanje. 3. Uranjanje grozda u keramičku vatrootpornu suspenziju. 4. Posipavanje pijeskom. Naizmjenično uranjanje i posipavanje izvodi se više puta. U

prvom sloju koriste se mala zrnca koja daju glatku površinu odljevka. Između svakog uranjanja sloj se mora osušiti. Proces se ponavlja dok se ne dobije potrebna debljina školjke. Tijekom ponavljanja procesa koriste se sve krupnija zrnca pijeska koja kalupu daju čvrstoću.

5. Zagrijavanje kalupa radi odstranjivanja voska, odnosno polimera, te daljnje zagrijavanje radi povećanja čvrstoće školjke. Odstranjeni vosak se skuplja i pročišćuje za ponovno korištenje, ali samo za uljevni sustav.

6. Ulijevanje rastaljenog metala; može biti gravitacijsko, tlačno ili pomoću vakuuma. 7. Čišćenje grozdova s odljevcima. Odsijecanje odljevaka s grozda. 8. Gotov odljevak.

43

U tablici 4.5. prikazane su prednosti i nedostaci preciznog lijeva.

Tablica 4.5. Prednosti i nedostaci preciznog lijeva.

Prednosti Nedostaci

• visoka kvaliteta površine odljevka • visoki troškovi za veće dimenzije odljevaka

• visoka dimenzijska točnost

• relativno spor proces

• mogućnost izrade vrlo složenih odljevaka • nije pogodno za pojedinačnu proizvodnju ili manje serije

• dorada često uopće nije potrebna • ograničenja s obzirom na masu i veličinu odljevka

• vosak se može ponovno koristiti

• primjenjiv za sve materijale koji se mogu lijevati

• mogućnost lijevanja odljevaka koji se sastoje od više dijelova

Vrlo je bitno izdvojiti mogućnost izrade vrlo složenih dijelova kao prednost ovog postupka. Naime, preciznim lijevanjem moguće je postići skoro sve stupnjeve složenosti vanjskog oblika, kao i širok raspon složenosti unutarnjeg oblika odljevka. Rezultat toga je da se većina složenih dijelova sada može izraditi u jednom komadu, a ne od puno pojedinačnih komponenata, što je uvelike smanjilo troškove izrade, a dijelovi su funkcionalniji.

Preciznim lijevom proizvode se odljevci manjih dimenzija. Odljevci mogu težiti od nekoliko grama do 35 kg, iako su obično u rasponu od 200 g do oko 8 kg. Uobičajena debljina stijenke odljevaka je oko 1 mm, mada može biti čak i 0,5 mm, ali kod legura koje se lako lijevaju. Precizni lijev može se koristiti za lijevanje svih metala, a najčešće se lijevaju aluminijske legure, bakrene legure, legure magnezija, željezni lijev, nehrđajući čelik i alatni čelik. Ovim se postupkom mogu lijevati i metali s visokim temperaturama taljenja te metali koji se ne mogu strojno obrađivati (jer dodatna obrada gotovo i nije potrebna). Tipični dijelovi izrađeni s ovim postupkom su mali do srednje veliki dijelovi složene geometrije koji zahtijevaju veliku preciznost, kao što su lopatice turbina ili komponente vatrenog oružja. Dijelovi koji rade na visokim temperaturama su također česti, što uključuje dijelove za automobilsku, zrakoplovnu i vojnu industriju, slika 4.28.

44

Slika 4.28. Konstrukcija ploče s instrumentima za Boeing (Tital).

Postupak se smatra ekonomičnim ako se lijeva najmanje 50 jednakih odljevaka.

U tablici 4.6. prikazane su značajke preciznog lijeva.

Tablica 4.6. značajke preciznog lijeva.

Veličina odljevka: masa: 200 g – 35 kg

Materijali: Željezni lijev Legirani željezni lijev Čelični lijev Nehrđajući čelik Al i Al-legure Cu i Cu-legure Ni i Ni-legure

Hrapavost površine - Ra: 0.8 – 6.5 µm

Tolerancije: ± 0.1 mm

Maksimalna debljina stijenke: 1.5 – 20 mm

Koli čina: 10 – 1000 kom

Dimenzije

1700 X 600 x 1200 mm

45

4.2.7. Lijevanje u pune kalupe

Postupak lijevanja u pune kalupe relativno je nov postupak u praksi. Sve veću primjenu u modernoj ljevačkoj proizvodnji nalazi prvenstveno zbog povoljnijeg utjecaja na okoliš u odnosu na klasične postupke pješčanog lijeva (pijesak koji se koristi za izradu kalupa ne sadrži veziva) te mogućnosti izrade vrlo složenih dijelova. Postupak lijevanja u pune kalupe prvi se put pojavio 1958. godine kada je H. F. Shroyer patentirao postupak lijevanja pomoću modela od ekspandiranog polistirena postavljenog u vlažni pijesak koji ostaje u kalupu za vrijeme ulijevanja rastaljenog metala. Model od polistirena pod utjecajem topline ispari ostavljajući mjesto rastaljenom metalu. Odljevak nastaje tako što metal potpuno popuni mjesto gdje se nalazio model. U početku je proces bio limitiran na jednolične i jednostavne odljevke zbog upotrebe ručno proizvedenog polistirena koji je bio loše kvalitete te zbog upotrebe vlažnog pijeska koji je slabo propuštao plinove nastale isparivanjem modela. Veliki napredak kod lijevanja u pune kalupe postignut je zamjenom vlažnog pijeska suhim kvarcnim pijeskom bez vezivnih sredstava čime su dobiveni odljevci visoke kvalitete površine. Daljnjim razvojem ovog postupka pokazalo se da lijevanje u pune kalupe može konkurirati klasičnim postupcima lijevanja u pješčane kalupe, pogotovo u serijskoj proizvodnji. Danas se odljevci lijevani u pune kalupe mogu naći u gotovo svim industrijskim granama, no još uvijek prednjači automobilska industrija (blok i glava motora) gdje se i prvo počeo koristiti ovaj postupak.

Izrada modela i kalupa

Za izradu modela kod lijevanja u pune kalupe koristi se ekspandirani polistiren. Pokušavalo se s primjenom nekih drugih materijala za izradu modela, no ni jedan do danas nije ušao u upotrebu. Polistiren je jeftin materijal, lako se obrađuje tokarenjem, glodanjem i drugim postupcima. Gustoća ekspandiranog polistirena u sirovom stanju iznosi 640 kg/m3. Da bi se iz polistirena mogli izrađivati kvalitetni modeli gustoća mu se mora smanjiti na vrijednosti između 16 i 27 kg/m3. Odabir polistirena određene gustoće ovisi o metalu koji se lijeva. Tipične vrijednosti gustoće polistirena za određene metale su sljedeće:

• za lijevanje Al i Al-legura: 24-27 kg/m3;

• za lijevanje Cu i Cu-legura: 20-21,6 kg/m3;

• za lijevaje sivog lijeva: ≤ 20 kg/m3;

• za lijevaje čelika: ≤ 17 kg/m3.

Do odgovarajuće se gustoće polistirena dolazi postupkom koji se naziva predpjenjenje. Za potrebe proizvodnje pjenastih polistirenskih tvorevina, polistiren se impregnira pjenilom, najčešće pentanom i dobiva se pjeneći polistiren u obliku tvrdih staklastih kuglica promjera od 0,2 do 3 mm i gustoće od 640 kg/m3. Takav se polistiren zatim ubacuje u zagrijanu komoru gdje se stalnim miješanjem osigurava raspodjela topline kroz čitavu količinu materijala. Djelovanjem topline polistiren omekšava te dolazi do ekspanzije pentana koji istovremeno uzrokuje i ekspanziju polistirenskih kuglica, pri čemu im se volumen povećava 20 do 50 puta.

46

Na taj način nastaju kuglice potrebne gustoće koje se nakon sušena transportiraju u ventilirajuće silose. U silosima se odvija proces kondenzacije pentana. Kondenzacijom pentana u ekspandiranim polistirenskim kuglicama dolazi do pojave potlaka koji uzrokuje punjenje kuglica s okolnim zrakom. Nakon izvjesnog vremena (oko 8 sati) dolazi do izjednačavanja tlakova unutar i van granula tj. dolazi do stabilizacije koja traje 6 do 12 sati. Nakon završetka stabilizacije predpjenjenim polistirenom odgovarajuće gustoće pune se metalni kalupi (imaju oblik modela koji želimo dobiti) u kojima se ponovo odvija druga ekspanzija koja je u osnovi jednaka prvoj. Bitna razlika je samo u tome što se ova ekspanzija odvija u ograničenom prostoru zbog čega granule prilikom ekspandiranja prvotno popunjavaju međukuglični prostor, a zatim daljnjom ekspanzijom obavljaju međusobni pritisak tako da dolazi do srašćivanja istih. Na taj način polistiren popunjava i poprima oblik metalnog kalupa. Slijedi hlađenje koje je vrlo bitno kako ne bi došlo do naknadne ekspanzije modela zbog zaostalih unutarnjih tlakova u modelu nakon vađenja iz kalupa. Nakon hlađenja otvaraju se kalupi iz kojih se vade kruti modeli željenog oblika i dimenzija. Valja naglasiti da kod ovog postupka nema potrebe za izradom jezgri, već se unutarnja geometrija odljevka, kao i vanjska, oblikuje modelom.

Modeli za lijevanje u pune kalupe rijetko se rade u jednom komadu, uobičajeno je izraditi ih iz nekoliko dijelova koji se naknadno lijepe. Uljevni se sustav također izrađuje posebno. Dakle, gotov model se dobiva tek kad se zalijepe svi dijelovi modela i uljevnog sustava u jednu cjelinu. Da bi se izbjegle greške spajanja te da bi se zadržala dimenzijska točnost, postupak lijepljenja je potpuno automatiziran. Nakon spajanja slijedi kontrola gotovog modela i tek nakon kontrole ide se na sljedeći korak u procesu izrade kalupa za lijevanje u pune kalupe.

Zbog ekonomskih razloga često se puta formiraju grozdovi isto kao i kod preciznog lijeva. Dakle, kod ugrozdavanja se isti polistirenski modeli lijepe na zajednički uljevni sustav u grozd, slika 4.29.

Slika 4.29. Modeli glava motora od polistirena povezani u grozd (BMW), te zalijepljeni model bloka motora od više dijelova i odljevak.

47

Nakon izrade modela, sljedeći je korak nanošenje vatrootpornog premaza na model. Funkcija premaza je dvojaka. Prvo, premaz predstavlja barijeru između glatke površine modela i grube površine pijeska, slika 4.30. Drugo, osigurava kontroliranu propusnost plinova koji nastaju isparavanjem polistirenskog modela u pijesak, onemogućujući im da dođu u kontakt sa rastaljenim metalom. Također, ni metal ne dolazi upravo zbog premaza u kontakt s grubim pijeskom. Vatrootporni se premazi dijele s obzirom na propusnost koju osiguravaju, a sam odabir ovisi o metalu koji se lijeva i obliku odljevka. Tako se za lijevanje neželjeznih legura općenito koriste premazi niže propusnosti nego za lijevanje željeznih legura, isto kao i za jednostavnije odljevke. Vatrootporni se premaz može nanositi uranjanjem (najčešće), premazivanjem ili naštrcavanjem.

Slika 4.30. Popunjavanje punog kalupa taljevinom.

Nakon što se premaz na modelu osuši slijedi njegovo postavljanje u kalupnik. Za popunjavanje kalupnika koristi se obični suhi kvarcni pijesak bez vezivnih sredstava. Moguće je koristiti i cirkonske i olivinske pijeske, ali nisu uobičajeni. Na samom dnu kalupnika prije postavljanja modela nalazi se 25 do 75 mm tog istog pijeska. Nakon postavljanja i centriranja modela nasipava se pijesak dok ne popuni kalupnik. Za vrijeme sipanja pijeska kalupnik vibrira kako bi se postigla što bolja kompaktnost kalupa.

Slijedi ulijevanje rastaljenog metala. Nakon skrućivanja kalup se istresa te se vadi odljevak koji ide dalje na odrezivanje uljevnog sustava i čišćenje. Pijesak kojim se popunjava kalup može se sakupiti i ponovno koristiti.

Osim istresanjem iz kalupa, odljevci se mogu vaditi i tako se nakon skrućivanja metala kalupnik opet vibrira (u ovom slučaju da se poništi kompaktnost u kalupu), a robot izvadi odljevak iz kalupnika te ga okreće kako bi sav pijesak, iz svih šupljina u odljevku, ispao van, slika 4.31. Nakon toga robot uranja odljevak očišćen od pijeska u vruću vodu kako bi se otopio premaz kojim je bio premazan model. Nakon uklanjanja premaza, robot postavlja odljevak na liniju za automatsko uklanjanje uljevnog sustava. Ukoliko se radi o grozdu postupak je isti samo što se kod odrezivanja uljevnog sustava odrezuju i odljevci. Uglavnom je to odrezivanje automatsko, mada se odljevci mogu odrezivati i ručno. Na kraju odljevci se još pjeskare ili sačmare.

48

Slika 4.31. Robotizirano vađenje odljevka iz kalupa.

Proces izrade kalupa za lijevanje u pune kalupe prikazan je na slici 4.32.

Slika 4.32. Postupak lijevanja u pune kalupe.

Koraci pri izradi kalupa sa jednokratnim isparljivim modelom (puni kalup):

1. Izrada modela i uljevog sustava od ekspandiranog polistirena. 2. Nanošenje vatrootpornog premaza. 3. Postavljanje i centriranje modela u kalupnik. Popunjavanje kalupnika suhim

pijeskom bez vezivnih sredstava. Vibriranje da pijesak ispuni šupljine u modelu. 4. Ulijevanje rastaljenog metala. Pod utjecajem topline model ispari ostavljajući

mjesto taljevini. Hlađenje i skrućivanje. 5. Istresanje kalupnika. Odrezivanje uljevnog sustava te čišćenje odljevka

(pjeskarenje ili sačmarenje). 6. Gotov odljevak.

49

U tablici 4.7. prikazane su prednosti i nadostaci lijevanja u pune kalupe.

Tablica 4.7. Prednosti i nedostaci lijevanja u pune kalupe. Prednosti Nedostaci

• izrada kalupa je jednostavnija i brža od izrade pješčanog kalupa jer nisu potrebna dva dijela kalupa

• ekonomska opravdanost postupka znatno ovisi o proizvodnoj cijeni modela

• na odljevku nema srha • za svaki odljevak potreban je novi model

• nema potrebe za jezgrama • potrebna kontrola procesa

• model nije potrebno uklanjati iz kalupa

• dorada često uopće nije potrebna

• potrebne manje količine pijeska, manje opreme za pripremu pijeska

• pijesak se može ponovno koristiti (čak 99%, ostalo se izgubi rasipanjem). Regeneracijom se ne onečišćuje okoliš jer pijesak ne sadrži vezivo.

• visoko automatiziran postupak

• fleksibilnost procesa prilikom izrade različitih odljevaka i lijevanja različitih metala

• mogućnost izrade vrlo složenih oblika

• visoka kvaliteta površine i dimenzijska točnost

U pune kalupe mogu se lijevati željezni i neželjezni metali, no najčešće se lijevaju Al i Al-legure te sivi i nodularni lijev. Tipični odljevci dobiveni lijevanjem u pune kalupe su blokovi i glave motora. Lijevati se mogu različiti odljevci svih veličina. No ipak, za jednostavnije odljevke i pojedinačnu proizvodnju isplativiji je pješčani lijev.

50

4.3. Postupci izrade jezgri Jezgra oblikuje unutarnje konture odljevka, slika 4.33. Od jezgre se zahtjeva:

1. Dimenzijska točnost i toplinska otpornost 2. Otpornost na eroziju prilikom udara taljevine za vrijeme lijevanja 3. Otpornost oblika na tlak taljevine, čvrstoća 4. Razrušljivost nakon ljevanja mora biti zajamčena

Slika 4.33. Funkcija jezgre. a) pješčana jezgra, b) odljevak, c) šupljina u odljevku oblikovana jezgrom.

Male serije jezgri mogu se izrađivati ručno u jezgrenicima. Spora ručna izrada jezgri zamjenjena je početkom 19. stoljeća strojnom izradom. Tijekom 20. stoljeća postupci strojne izrade jezgri dalje su razvijani i optimirani. Za manije i veće serije koriste se strojevi za izradu jezgri, sa jednostavnim drvenim i plastičnim, slika 4.8. b), ili složenim metalnim jezgrenicima, slika 4.34. Danas je uobičajen postupak kod kojeg jezgrena mješavina iz spremnika napuni cilindar volumena jezgrenika. Jezgrenik se postavlja ispod cilindra, a stlačeni zrak udarno djeluje na pijesak u cilindru i ubrzava ga u smjeru jezgrenika, što uzrokuje popunjavanje jezgrenika. Daljnje očvršćivanje jezgre ovisi o korištenom vezivu.

Slika 4.34. Metalni jezgrenici za izradu složenih jezgri.

4.3.1. No bake postupak izrade jezgriPostupak se koristi i za ručno i strojno kalupljočvršćivanje jezgrene mješavine ne odvija na visokim temperaturama jezgrenici mogu biti od drveta ili plastike. Nedostatak je relativno dugo oč ć

koristi za jezgre velikih dimenzija, pri pojedinač 4.3.2. Cold Box postupak (Postupak Kalupnom mješavinom koja sadrži višekomponentno vezivo popunjava se jezgrenik, a zatim se izvodi propuhivanje plinskim reagensom ili katalizatorom komješavine ili ubrzava proces oč ć

Toplina može dodatno ubrzati oč ć

reakcijom. Postupak je pogodniji za serijsku proizvodnjudjelovanja plina na ubrzanje kemijske reakcije, vrijeme oč ć ć

Danas se najviše jezgri proizvodi ovim postupkom.pješčane jezgre.

a) Slika 4.35. Cold box postupak. a) upucavanje jezgrene mješavine, b) propuhivanje plinom, c)

Slika 4.36. Cold Box

51

4.3.1. No bake postupak izrade jezgri čno i strojno kalupljenje, opisan je u poglavlju

č ćivanje jezgrene mješavine ne odvija na visokim temperaturama jezgrenici mogu biti od drveta ili plastike. Nedostatak je relativno dugo očvršćivanje jezgrene mješavine. Postupak se

dimenzija, pri pojedinačnom kalupljenju.

(Postupak sa plinskim očvršćivanjem) Kalupnom mješavinom koja sadrži višekomponentno vezivo popunjava se jezgrenik, a zatim se izvodi propuhivanje plinskim reagensom ili katalizatorom koji uzrokuje oč ć

mješavine ili ubrzava proces očvršćivanja, slika 4.35. Oprema mora biti dobro zabrtvljena. Toplina može dodatno ubrzati očvršćivanje, a može se dovesti izvana ili egzotermnom reakcijom. Postupak je pogodniji za serijsku proizvodnju od No bake postupka, jer je zbog djelovanja plina na ubrzanje kemijske reakcije, vrijeme očvršćivanja jezgre znatno kraćDanas se najviše jezgri proizvodi ovim postupkom. Na slici 4.36. su prikazane cold box

b)

Cold box postupak. a) upucavanje jezgrene mješavine, b) propuhivanje plinom, c) vađenje jezgre iz jezgrenika.

Cold Box pješčane jezgre (EUROKERN, Hannover).

enje, opisan je u poglavlju 4.2.1.2. Kako se č ćivanje jezgrene mješavine ne odvija na visokim temperaturama jezgrenici mogu biti od

č ćivanje jezgrene mješavine. Postupak se

Kalupnom mješavinom koja sadrži višekomponentno vezivo popunjava se jezgrenik, a zatim ji uzrokuje očvršćivanje

Oprema mora biti dobro zabrtvljena. č ćivanje, a može se dovesti izvana ili egzotermnom

od No bake postupka, jer je zbog č ćivanja jezgre znatno kraće.

su prikazane cold box

c)

Cold box postupak. a) upucavanje jezgrene mješavine, b) propuhivanje plinom, c)

čane jezgre (EUROKERN, Hannover).

52

4.3.3. Hot Box postupak Kalupna mješavina sastoji se od kvarcnog pijeska i sintetske smole. Nakon popunjavanja kalupnika ili jezgrenika, mješavina očvršćuje zagrijavanjem. Nema propuhivanja plinom. Jezgrenici moraju biti izrađeni od metala. Upotreba postupaka je vrlo raširena. Dobiva se velika dimenzijska točnost odljevaka. Kalupi su lako razrušljivi. Kao vezivo upotrebljava se slična kao kod cold box postupka, tekuća fenolna ili furanska smola ali sa latentnim kiselim katalizatorom, kao što je otopina amonijeve soli. Postupak očvršćivanja, egzotermna reakcija, odvija se u trajanju od 20 do 120 sekundi u jezgreniku predgrijanom na 180 do 340 °C, slika 4.37. Kalupna mješavina ima ograničeno vrijeme trajanja. Nije potrebno dodatno očvršćivanje pečenjem u pećima.

Slika 4.37. Hot Box postupak i primjeri jezgri na furanskoj bazi. Pojedinačne jezgre i montirani paket za aluminijsku usisnu granu 6-cilindarskog motora sa direktnim

ubrizgavanjem. 4.3.4. Warm Box postupak Varijanta hot box postupka pri nižim temperaturama zagrijavanja.

4.3.5. Školjkasti postupak (Croning) Kalupna mješavina sastoji se od kvarcnog pijeska i sintetske smole. Nakon popunjavanja jezgrenika, mješavina očvršćuje zagrijavanjem. Modeli i jezgrenici moraju biti izrađeni od metala. Upotreba ovog postupaka je vrlo raširena. Dobiva se velika dimenzijska točnost odljevaka. Jezgre su lako razrušljive. Postupak se koristi i za strojno kalupljenje, detaljnije je opisan u poglavlju 4.2.5. Primjeri jezgri prikazani su na slici 4.38.

Slika 4.38. Školjkaste (Croning) jezgre.

53

4.3.6. Postupak sa vodenim staklom (CO2 postupak) Postupak se koristi i za ručno kalupljenje, opisan je u poglavlju 4.2.1.3. Nedostatak postupka je teško izbijanje jezgre. 4.3.7. Kalupljenje pomoću jezgri Kalupljenje pomoću jezgri, zajedno sa postupkom sa svježom kalupnom mješavinom i No bake postupkom, spada u najvažnije postupke izrade jednokratnih kalupa. Za izradu paketa jezgri, slika 4.39., kao vezivo, koristi se uretan.

Slika 4.39. Jezgreni paket od šest dijelova za izradu bloka motora od željeznog lijeva (Halberg Guss).

Zastupljenost postupaka izrade jezgri u Njemačkoj, prikazana je na slici 4.40.

Slika 4.40. Zastupljenost postupaka izrade jezgri u Njemačkoj.

54

5. PROIZVODNJA ODLJEVAKA U KALUPIMA ZA VIŠEKRATNU P RIMJENU

Lijevanje u stalne kalupe uglavnom se koristi za neželjezne legure mižeg tališta (legure aluminija, cinka, magnezija i bakra). U Njemačkoj se više od pola svih odljevaka od neželjeznih legura proizvodi tlačnim lijevanjem. Glavni postupci lijevanja u višekratne kalupe su: gravitacijski kokilni lijev, nisko- i protutlačni lijev i tlačni lijev. Centrifugalni lijev pretežno se koristi za proizvodnju cijevi od sivog ili nodularnog lijeva.

5.1. Kokilni lijev

Kokilni lijev je postupak lijevanja kod kojeg se rastaljeni metal ulijeva djelovanjem gravitacije u metalne kalupe ili kokile. Upravo se zbog toga kokilni lijev često puta naziva i gravitacijski lijev. Lijevanje u metalne kalupe započelo je lijevanjem odljevaka od kositra, cinka i olova, koji su trebali imati točne dimenzije. Danas se u metalne kalupe gravitacijski mogu lijevati sve najvažnije legure: legure bakra, aluminija, magnezija i cinka, te čelik, tvrdi lijev i sivi lijev. Ipak, kokilnim se lijevom najčešće lijevaju odljevci od legura aluminija i magnezija. Uglavnom se lijevaju veće serije odljevaka koje imaju jednaku debljinu stijenke na svim presjecima.

Kokilnim lijevom lijevaju se kućišta pumpi, klipovi motora, usisni ventili, glave motora te ostali funkcionalni dijelovi motora s unutarnjim izgaranjem, razni ostali odljevci za automobilsku industriju kao npr. kućišta mjenjača, zupčanici, kotači, razni odljevci za zrakoplovnu industriju, kućišta projektila, različite vrste lančanika, kućišta električnih motora.

Kokilni lijev može se proizvoditi u ručnim kalupima, poluautomatiziranim strojevima i potpuno automatiziranim strojevima. Kod ručnog kalupa otvaranje i zatvaranje kalupa izvodi se ručno, ručno je ulijevanje rastaljenog metala te vađenje odljevka iz kalupa, dok se odljevak odvaja od kalupa pomoću uređaja za izbacivanje koji je sastavni dio kalupa, slika 5.1.

Slika 5.1. Princip kokilnog lijevanja.

Ručni se kalupi koriste za lijevanje manjih serija jednostavnijih odljevaka. Ukoliko je serija veća ili su odljevci složenijeg oblika, koriste se poluautomatizirani strojevi. Kod tih je strojeva ručno samo ulijevanje rastaljenog metala i vađenje odljevka iz kalupa, dok su sve ostale operacije mehanizirane ili automatizirane. Automatizirani strojevi koriste za velikoserijsku proizvodnju. Kod automatiziranih strojeva provedena je i potpuna

55

automatizacija pomoćnih operacija (ulijevanje rastaljenog metala, ulaganje jezgri, vađenje odljevka iz kalupa). Danas je primjena automatiziranih strojeva uobičajena.

Uljevni sustav, slika 5.2., sastoji se od čaše, spusta, razvodnika i ušća, a za kompenzaciju smanjenja volumena odljevka dodaju se pojila. Ponekad se uljevnom sustavu dodaju i filteri. Uljevni sustav mora biti tako dimenzioniran da omogućuje brzo ispunjavanje kalupa rastaljenim metalom.

Slika 5.2. Kokilni odljevak s uljevnim sustavom i vrste uljevnih sustava.

Kokilni lijev nije primjeren za izradu kompleksnijih odljevaka, za izradu odljevaka visoke dimenzijske točnosti te visoke kvalitete površine. Prema točnosti dimenzija, odljevci se mogu usporediti s odljevcima izrađenih postupkom školjkastog ili preciznog lijeva. Ukoliko se koristi za izradu kompleksnijih odljevaka tada veličina serije mora biti dovoljno velika da se pokriju visoki troškovi izrade kalupa, slika 5.3. Uobičajeno je da se takvi odljevci proizvode tlačnim lijevom jer su ukupni troškovi proizvodnje niži. Naime, kod tlačnog lijeva kraći su ciklusi proizvodnje te dodatna obrada gotovo i nije potrebna. Uz to, tlačnim se lijevom dobivaju kvalitetniji odljevci s manjim odstupanjem dimenzija. Za manje serije kompleksnijih odljevaka bolje je odabrati lijev u pune kalupe.

Slika 5.3. Pomična polovica kalupa s izbacivačima na stroju za lijevanje i pripadajući odljevak. (KSM Casting, Hildesheim)

56

Pješčani lijev pred kokilnim ima prednost samo kad se izrađuju vrlo kompleksni odljevci sa složenom geometrijom. Inače kokilni lijev uvijek prednjači pješčanom, jer osim što se kokilnim lijevom dobiju odljevci kvalitetnije površine i bolje dimenzijske točnosti, bolja su im i mehanička svojstva.

5.1.1. Kalupi za kokilni lijev Kalupi za kokilni lijev su dvodijelni, sastoje se od pokretnog i nepokretnog dijela. Pokretni dio kalupa pričvršćuje se na pokretnu ploču stroja za kokilni lijev, dok se nepokretni dio kalupa pričvršćuje na nepokretnu ploču, slika 5.4. Zatvaranje, odnosno otvaranje kalupa ostvareno je dvosmjernim horizontalnim pomicanjem pokretnog dijela kalupa, odnosno pokretne ploče stroja po vodilicama pomoću hidrauličke pumpe. Pokretni i nepokretni dio kalupa spajaju se na liniji dijeljena i ona mora biti postavljenja tako da se nakon otvaranja kalupa odljevak odvoji od nepokretnog dijela kalupa i zadrži u pokretnom dijelu sve dok ga izbacivači ne odvoje od njega. Točan međusobni položaj polovica kalupa pri sklapanju osiguravaju čahure i trnovi za centriranje. Time se automatski dobiva i točno sučeljavanje kalupnih šupljina pokretnog i nepokretnog dijela kalupa. U pokretnoj i nepokretnoj polovici kalupa izrađene su kalupne šupljine pomoću kojih je određen vanjski dio odljevka. U jednom se kalupu može nalaziti više kalupnih šupljina.

Slika 5.4. Kokila montirana na stroj za lijevanje i pripadajući odljevak.

Osim dvodijelnih kalupa za lijevanje jednostavnih oblika, počeli su se, osobito u automobilskoj industriji, upotrebljavati i složeni višedijelni kalupi, slika 5.6.

Za oblikovanje unutrašnjosti odljevka koriste se pješčane, metalne ili kombinirane jezgre. Metalne jezgre upotrebljavaju se za oblikovanje jednostavnijih šupljina u odljevku. Kad se upotrebljavaju metalne jezgre, slika 5.5., mora postojati mogućnost njihovog izvlačenja iz kalupa nakon ulijevanja i skrućivanja rastaljenog metala. Tek nakon izvlačenja jezgre dolazi do otvaranja kalupa te izbacivanja odljevka.

57

Slika 5.5. Kokila s metalnom i s pješčanom jezgrom (Grohe).

Pješčane jezgre u proizvodnji kokilnog lijeva upotrebljavaju se kada se trebaju postići složeni oblici šupljina u odljevcima, a nije moguća upotreba metalnih jezgri, slika... Pješčana se jezgre najčešće nakon ulijevanja i hlađenja istresa iz aluminijskih odljevka pomoću vibracija ili zagrijavanjem na povišenu temperaturu na kojoj dolazi do raspada veziva i jezgra postane sipka, te se istrese iz kalupa. Na taj se način dobivaju složeni i točni oblici šupljina u odljevcima, slika ..

Slika 5.6. Kokilni lijev složenih odljevaka, paket pješčanih jezgri, kokila, glava motora s uljevnim sustavom.

U kalupu se, osim kalupne šupljine, izrađuju još kanali za otplinjavanje i ventilaciju te uljevni sustav. Na pokretnoj polovici kalupa nalazi se mehanizam za odvajanje odljevka od kalupa – izbacivači. Pomoću kanala za otplinjavanje i ventilaciju omogućava se izlazak zraku i plinovima iz kalupne šupljine prilikom ulijevanja rastaljenog metala. Kad se ne bi omogućio izlazak plinova iz kalupne šupljine, plinovi bi prodrli u odljevak te bi došlo do poroznosti odljevka. Najčešće se takvi kanali postavljaju na razdjelnoj liniji kalupa, ili na mjestima gdje su izbacivači iz kalupa.

Vrlo je bitno da se za izradu kalupa odabere materijal koji ima potrebnu toplinsku vodljivost i otpornost prema trošenju. Kalupi se najčešće izrađuju od čelika za topli rad ili sivog lijeva odgovarajućeg kemijskog sastava. U novije se vrijeme za izradu kalupa upotrebljavaju i legure aluminija i bakra. Često se izrađuju i od grafita. Odabir materijala za izradu kalupa ovisi o materijalu koji se lijeva. Kalupi se oblikuju lijevanjem, strojnom obradom i poliranjem. Strojnom obradom i poliranjem postiže se vrlo fina površina i točne dimenzije. Vijek trajanja kalupa iznosi od desetak tisuća do nekoliko stotina tisuća lijevanja.

58

U tablici 5.1. prikazane su prednosti i nedostaci kokilnog lijeva.

Tablica 5.1. Prednosti i nedostaci kokilnog lijeva. Prednosti Nedostaci

• dobra dimenzijska točnost i kvaliteta površine

• jednostavnija geometrija odljevka u odnosu na odljevke u jednokratnim kalupima zbog potrebe otvaranja kalupa

• brzo skrućivanje zbog ulijevanja u hladni metalni kalup rezultira sitnijom strukturom, tj. proizvode se čvršći odljevci

• visoki troškovi izrade kalupa (cijena kokile (20.000 EURO na više)

• mogućnost lijevanja svih najvažnijih legura

• otežano napajanje odljevka u kalupu

• kratak ciklus izrade odljevaka

• dugi radni vijek kalupa za lijevanje

• postupak se može lako mehanizirati i automatizirati

5.1.2. Premazivanje kalupa Priprema kalupa za ulijevanje rastaljenog metala uključuje njegovo premazivanje. Nanošenjem vatrostalnog premaza na radnu površinu kalupa i metalne jezgre stvara se barijera između rastaljenog metala koji se ulijeva te površine kalupa te jezgre tijekom punjenja kalupa i skrućivanja. Nanošenjem takvih premaza postiže se:

1. umanjenje neposrednog toplinskog utjecaja rastaljenog metala na kalup (premaz je izolator);

2. kontrola tečenja rastaljenog metala; 3. kontrola brzine hlađenja; 4. bolja kvaliteta površine odljevka; 5. lakše odvajanje odljevka od kalupa.

Nanošenjem premaza koji imaju znatno manju toplinsku provodnost nego materijal od kojeg je izrađen kalup dolazi do umanjenja toplinskog utjecaja rastaljenog metala na kalup zbog čega se kalupu produžuje radni vijek. Osim toga, rjeđa su oštećenja površine kalupa, pa je time također rjeđa i pojava grešaka na odljevcima, kao što su hrapavost površine, odstupanje od dimenzija, izrasline, netočnost mjera i oblika. Kako su premazi izolatori površina kalupa se ne zagrijava na temperaturu rastaljenog metala, već se ona zagrijava na temperaturu koja je puno niža od temperature rastaljenog metala. Zbog toga kalup nije izložen intenzivnom zagrijavanju, manji je pad temperature kroz stijenku kalupa te su manja toplinska naprezanja u stijenci kalupa. Premazan je kalup manje toplinski opterećen, što mu produžuje radni vijek i smanjuje oštećenja.

59

Ono najvažnije što se postiže nanošenjem premaza je kontrola brzine hlađenja odljevka na svim presjecima jer se tako može utjecati i na tijek i na smjer skrućivanja. Ako se želi sporije ohlađivanje, nanosi se deblji sloj premaza s manjom toplinskom provodnošću. Takav se premaz nanosi najčešće u pojilu i oko pojila. Ako pak se želi ubrzati hlađenje odljevka, odabere se premaz koji ima visoku provodnost te se nanese u manjoj debljini. To je slučaj kod presjeka najudaljenijih od pojila koji trebaju prvi skrutnuti. Takvim nanošenjem premaza dobiva se usmjereno skrućivanje prema pojilu.

Premazi su suspenzije sitnomljevenih vatrostalnih materijala, veziva, vode i dodataka za bolje prianjanje na unutarnju površinu kalupa. Premazi se najčešće nanose automatskim prskanjem za vrijeme kad je kalup otvoren. Nakon što je nanesen premaz, kalup je spreman za upotrebu. On se koristi sve dok ne dođe do oštećenja premaza na kalupu. Tada se kalup prestaje koristiti sve dok se ne nanese novi sloj premaza. Između svakog lijevanja nanosi se samo gornji sloj premaza, odnosno mazivo koje omogućuje lakše odvajanje odljevka od kalupa.

5.1.3. Temperatura kalupa Vrlo bitan parametar za dobivanje kvalitetnih odljevaka je temperatura kalupa. Ako je temperatura kalupa preniska, dolazi do grešaka na odljevku (hladni zavari, nedolivenost, nestaljeno područje), popunjavanje kalupa je ograničeno zbog čega najčešće dolazi do usahlina, toplih pukotina te lijepljenja odljevka za kalup. Pri previsokim temperaturama kalupa produžava se vrijeme skrućivanja odljevka što pogoduje stvaranju šupljina zbog skupljanja materijala pa odljevci imaju lošija mehanička svojstva i lošiju kvalitetu površine. Osim na kvalitetu odljevaka, temperatura kalupa utječe i na vijek trajanja kalupa. Oštećenje kalupa te njegovo prebrzo trošenje najčešće je prouzročeno naglim i neravnomjernim zagrijavanjem kalupa. Prebrzo trošenje kalupa može uzrokovati i previsoka temperatura kalupa.

Optimalna radna temperatura kalupa je ona koja omogućuje proizvodnju kvalitetnih odljevaka uz minimalan škart u najkraćem mogućem vremenu te uz minimalno oštećenje kalupa. Da bi se postigla optimalna radna temperatura kalupa, kalupi se zagrijavaju i hlade. Dakle, prije ulijevanja rastaljenog metala kalup se zagrijava na određenu radnu temperaturu, dok se radna temperatura kalupa tijekom hlađenja i skrućivanja održava hlađenjem kalupa.

Kalup se može zagrijavati plamenikom ili električnim putem pomoću grijača. Zagrijavanjem se oštećenje kalupa bitno smanjuje jer nema toplinskog šoka na početku lijevanja rastaljenog metala. Zagrijavanje kalupa također utječe i na kvalitetu odljevka - odljevci su bolje kvalitete jer je punjenje kalupne šupljine ujednačeno, odljevak se ne lijepi za kalup te ne dolazi do grešaka na odljevcima.

Hlađenje kalupa obavlja se cirkulacijom vode, ulja ili zraka kroz posebne kanale u stijenkama kalupa. Hlađenjem se sprječava zagrijavanje kalupa iznad optimalne radne temperature zbog čega se produžuje radni vijek kalupa te se skraćuje vrijeme skrućivanja odljevaka (skraćuju su i ciklusi lijevanja). Nadalje, hlađenjem se može ujednačiti temperatura kalupa u svim presjecima, što osigurava željeni red skrućivanja odljevka, odnosno može se regulirati brzina skrućivanja odljevka.

60

Koraci kokilnog lijevanja, slika 5.7.:

1. Priprema kalupa - kalup je potrebno prethodno zagrijati na temperaturu od 150 do 260 (350)° C, kako bi se omogućilo bolje tečenje rastaljenog metala te kako bi se izbjegle greške na odljevku. Zatim se na površinu kalupne šupljine nanosi završni premaz kako bi se olakšalo odvajanje odljevka od kalupa i kako bi se kalupu produljio vijek trajanja.

2. Ulaganje jezgri - jezgre mogu biti pješčane ili metalne. Pješčane jezgre se ulažu prije zatvaranja kalupa, a metalne poslije.

3. Zatvaranje kalupa – kalup se sastoji od pokretnog i nepokretnog dijela. Prije ulijevanja rastaljenog metala kalup se mora zatvoriti i potrebnom silom osigurati od otvaranja.

4. Ulijevanje rastaljenog metala - rastaljeni metal određene temperature ulijevanja, sporo se ulijeva u kalup preko čaše ili spusta na vrhu kalupa. Metal teče kroz sustav razvodnika i ušća i ulazi u kalupne šupljine. Jedan kalup može imati više kalupnih šupljina.

5. Hlađenje i skrućivanje odljevka; odvija se u zatvorenom kalupu.

6. Otvaranje kalupa i izbacivanje odljevka; nakon što je odljevak skrutnuo, kalup se otvara. Nakon otvaranja kalupa izbacivači se aktiviraju te izbacuju odljevak iz kalupa. Slijedi vađenje odljevka iz kalupa.

7. Dodatna obrada; uključuje odvajanje uljevnog sustava, skidanje srha sa linije dijeljenja te ostalih grešaka na odljevku.

Slika 5.7. Proizvodni koraci kod kokilnog lijeva.

61

5.2. Tlačni lijev

Tlačni lijev je postupak kod kojeg se rastaljeni metal pod visokim tlakom uvodi u stalni kalup. Najraniji primjerci odljevaka lijevanih pod tlakom pojavljuju se sredinom 19. stoljeća. Prve legure za tlačni lijev bile su različite kombinacija kositra i olova, ali njihova upotreba opada početkom 20. stoljeća razvojem legura cinka i aluminija. Ubrzo se počinju tlačno lijevati i legure magnezija i bakra te mnoge novije legure koje se i danas koriste.

Lijevanje pod tlakom primjenjuje se u serijskoj i masovnoj proizvodnji. Proces je često puta automatiziran što omogućuje povećanje produktivnosti, poboljšanje kvalitete odljevaka i sniženje cijene gotovog proizvoda. Danas se odljevci proizvedeni postupkom tlačnog lijevana primjenjuju u gotovo svim granama industrije, ali je ipak najraširenija primjena tlačnih odljevaka u automobilskoj industriji. Lijevaju se odljevci različitih dimenzija, oblika i debljina, koji su čvrsti, postojani i dimenzijski precizni. Najčešće se lijevaju legure aluminija, bakra, magnezija i cinka. Željezne legure nisu našle širu primjenu, dok se čelik tlačno lijeva samo u posebnim slučajevima. Tipični odljevci su blokovi i drugi dijelovi motora s unutarnjim izgaranjem, radijatori, kućišta statora elektromotora, zupčanici, kovanice, ali sve više nosači i dijelovi karoserije automobila, slika 5.8. i 5.9.

Slika 5.8. Tlačni lijev, odljevci od aluminijskih legura. (Honsel)

62

Slika 5.9. Tlačni lijev, odljevci od magnezijskih legura. Bočna vrata, materijal MgAl6Mn, debljina stjenke 2-2,5 mm, masa 3,5 kg (Honsel).

Postupak tlačnog lijevanja Za lijevanje pod tlakom upotrebljavaju se specijalni strojevi na koje se učvrste metalni kalupi, slika 5.11. i 5.12. Osim kalupa, sustav za lijevanje pod tlakom sastoji se još od tlačnog klipa, tlačne komore, izbacivača i metalnih jezgri. Lijevanje u kalup odvija se preko tlačne komore u koji se dovodi rastaljeni metal. Komora je s jedne strane zatvoren pomičnim tlačnim klipom. Na drugoj se strani komore nalazi uljevni sustav koji rastaljeni metal vodi u kalup. Sila tlaka prenosi se hidrauličkim sredstvom s visokotlačnih pumpi na pogonski klip koji s tlačnim klipom čini jednu cjelinu. Kretanjem tlačnog klipa u komori potiskuje se rastaljeni metal visokim tlakom u kalupnu šupljinu. Zbog visokih brzina ubrizgavanja rastaljenog metala u kalup punjenje kalupa odvija se u vrlo kratkom vremenu, u nekoliko milisekundi popuni se čitav kalup. Nakon hlađenja odljevka kalup se otvara i odljevak se pomoću izbacivača odvaja od kalupa i odgovarajućim alatom vadi iz njega. Ciklus lijevanja se ponavlja zatvaranjem kalupa za ponovno lijevanje odljevaka.

5.2.1. Tlačni lijev s toplom komorom Tlačni lijev s toplom komorom koristi se za lijevanje metala niskog tališta: magnezija, cinka, olova i kositra, slika 5.10. Lijeva se pod tlakom od 7 - 35 MPa. Općenito se koristi za lijevanje odljevaka manjih dimenzija i masa (od nekoliko grama do 25 kg). To je visoko automatizirani proces s brzinom rada od 50 - 500 ciklusa lijevanja na sat. Specijalizirani strojevi za lijevanje malih odljevaka, npr. patentnog zatvarača, mogu raditi s puno većim ciklusima lijevanja. Specifičnost ovog procesa je to što su tlačna komora i klip vertikalno uronjeni u lonac s rastaljenim metalom.

63

Slika 5.10. Tlačni lijev s toplom komorom, odljevci od cinkovih legura.

Sustav za lijevanje s toplom komorom Sustav za tlačno lijevanje s toplom komorom sastoji se od peći s taljevinom, sustava za ubrizgavanje, tlačne komore i kalupa.

Postoje dvije izvedbe peći. Kod jedne izvedbe peć ujedno i tali metal u loncu, dok se kod druge već rastaljeni metal ulijeva u lonac te se u njemu održava na određenoj temperaturi. Za održavanje rastaljenog metala na određenoj temperaturi koriste se plinski i električni grijači, a sam lonac u kojem se nalazi rastaljeni metal je keramički.

Sustav za ubrizgavanje rastaljenog metala sastoji se od hidraulički pokretanog tlačnog klipa te komore i spojne cijevi. Sustav za ubrizgavanje uronjen je u taljevinu. Međusobni položaj komore i klipa mora biti takav da se pomakom klipa prema gore omogući punjenje komore rastaljenim metalom, dok se pomakom prema dolje taj rastaljeni metal mora ubrizgati kroz spojnu cijev i mlaznicu u kalupnu šupljinu. Obično se za izradu komore i tlačnog klipa koriste alatni i nehrđajući čelici. Spojna cijev je oblika koji omogućuje nesmetan protok rastaljenom metalu koji je ubrizgan visokom brzinom, a obično je izrađena od željeznog lijeva. Spojna cijev je ugrijana na temperaturu koja onemogućuje skrućivanje rastaljenog metala u njoj. Mlaznica omogućuje precizno popunjavanje kalupne šupljine, a izrađuje se od materijala koji su otporni na trošenje, npr. nitriranog legiranog čelika i alatnog čelika za rad na povišenim temperaturama. Mlaznica također mora biti grijana. Spojna cijev, klip i komora uvijek se izrađuju na način da ih se može lako i jednostavno zamijeniti novim dijelom u slučaju oštećenja. Kako su komora, tlačni klip i spojna cijev uronjeni u lonac s rastaljenim metalom, temperatura im je približno jednaka temperaturi rastaljenog metala. Stoga se mogu lijevati samo legure koje imaju nisko talište i ne otapaju materijal s kojim su u dodiru, kao što su legure cinka i magnezija. Aluminij i njegove legure otapaju čelične komponente sustava za ubrizgavanje i stoga se ne mogu lijevati ovi postupkom.

64

Proces tlačnog lijevanja s toplom komorom prikazan je na slici 5.11.

Slika 5.11. Koraci pri tlačnom lijevanju s toplom komorom. a) Kalupna šupljina, b) Pomična polovica kalupa, c) Nepomična polovica kalupa, d) Cilindar, e) Klip za tlačenje, f) Tlačna komora, g) Sustav za ubrizgavanje, h) Lonac, i) Peć, j) Spojna cijev, k) Grijana mlaznica.

Koraci pri tlačnom lijevanju s toplom komorom se sljedeći:

1. Kalup je zatvoren, a tlačni klip se nalazi u početnom položaju. Komora je ispunjena rastaljenim metalom.

2. Pomakom klipa prema dolje povećava se tlak u komori i rastaljeni se metal iz komore kroz spojnu cijev i grijanu mlaznicu ubrizgava u kalupnu šupljinu. Tlak se u kalupnoj šupljini održava sve dok se odljevak ne skrutne.

3. Nakon skrućivanja odljevka izvlači se metalna jezgra (ako je ima). Kalup se otvara. Odljevak se odvaja od pokretnog dijela kalupa pomoću izbacivača i pomoću prihvatne naprave vadi iz kalupa te se stavlja na radni stol. Klip se vraća u početni položaj što omogućuje ponovno punjenje cilindra rastaljenim metalom.

Postupak lijevanja ponavlja se toliko dugo dok traje proizvodnja odljevaka, odnosno dok ne dođe do eventualnog zastoja radi kvara u proizvodnji.

Nakon što se odljevak izvadi iz kalupa slaže se na palete gdje se hladi na okolnu temperaturu. Nakon hlađenja slijedi daljnja obrada odljevka kao što je odvajanje uljevnog sustava i srha s linije dijeljenja. Odvojeni priljevci odlažu se na palete i odvode kao povrat iz proizvodnje te se ponovno tale.

PUNJENJE KALUPA

65

5.2.2. Tlačni lijev s hladnom komorom Tlačni lijev s hladnom komorom se koristi za lijevanje legura koje imaju više temperature taljenja, prvenstveno aluminija, magnezija i bakra, a ponekad se lijevaju i neke željezne legure. Lijeva se pod tlakom od 14 - 140 MPa. Mogu se lijevati odljevci svih veličina, od malih konektora do blokova motora i kućišta mjenjača, slika 5.8. i 5.9. Broj lijevanja iznosi 50 do 150 odljevaka na sat. Razlikuju se strojevi s horizontalnom i vertikalnom komorom. U ljevaonicama je puno češća primjena strojeva s horizontalnom hladnom komorom, slika 5.12.

Kod tlačnog lijevanja s hladnom komorom peć s rastaljenim metalom nalazi se izvan stroja. Rastaljeni metal proizvodi se u peći za taljenje i prenosi loncem do peći za održavanje i regulaciju uljevne temperature taljevine. Odatle se rastaljeni metal ručno ili automatizirano pomoću ljevačke žlice ili češće pomoću automatiziranog dozatora ulijeva u komoru.

Osnovni dijelovi sustava za tlačni lijev s hladnom komorom su komora, klip i kalup. Komora i klip nisu posebno grijani tijekom procesa lijevanja, osim što se zagriju prijelazom topline od rastaljenog metala tijekom ulijevanja. Često su izvedeni i s posebnih sustavom za hlađenje da bi se izbjeglo njihovo pregrijavanje. Dakle, za razliku od tlačnog lijevanja s toplom komorom gdje su komora i klip u stalnom dodiru s rastaljenim metalom uslijed čega se zagriju na istu temperaturu kao i on, kod tlačnog lijevanja s hladnom komorom, komora i klip izloženi su rastaljenom metalu samo kratko vrijeme tijekom ulijevanja te se zbog takve izvedbe mogu lijevati i legure višeg tališta. Za izradu komore i klipa koriste se alatni i nehrđajući čelici.

Slika 5.12. Stroj za tlačno lijevanje s hladnom komorom.

66

Proces tlačnog lijevanja s horizontalnom hladnom komorom prikazan je na slici 5.13.

Slika 5.13. Koraci pri tlačnom lijevanju s hladnom komorom.

Koraci pri tlačnom lijevanju s horizontalnom hladnom komorom su sljedeći:

1. U horizontalnu tlačnu komoru rastaljeni metal ulijeva se gravitacijski ljevačkom žlicom ili pomoću dozirnog uređaja. U tom trenutku kalup je zatvoren, a tlačni klip nalazi se u početnom položaju.

2. Nakon ulijevanja rastaljenog metala klip tlači rastaljeni metal u kalupnu šupljinu. Kretanje klipa nije ravnomjerno, nego se odvija u tri faze, slika 5.14.:

- prva faza je popunjavanje komore i dovođenje rastaljenog metala do ulaza u kalup (spora faza - brzina klipa je mala i postepeno raste, traje ~2 s)

- druga faza je popunjavanje kalupne šupljine (brza faza – klip velikom brzinom ubrizgava rastaljeni metal u kalupnu šupljinu, traje ~0,1-0,2 s)

- treća faza je povišenje tlaka u već popunjenom kalupu (tlak se u kalupu poveća nekoliko puta, traje nekoliko milisekundi) dok odljevak ne skrutne

67

Slika 5.14. Krivulja kretanja klipa.

3. Nakon skrućivanja odljevka dolazi do izvlačenja metalne jezgre. Slijedi otvaranje kalupa. Odljevak se odvaja od pokretnog dijela kalupa pomoću izbacivača i pomoću prihvatne naprave vadi se iz kalupa te ide na daljnju obradu. Klip se vraća su početni položaj.

Postupak lijevanja ponavlja se toliko dugo dok traje proizvodnja odljevaka, odnosno dok ne dođe do eventualnog zastoja radi kvara u proizvodnji. Tlačno lijevanje obično se izvodi u automatiziranim stanicama za tlačni lijev, slika 5.15.

Nakon hlađenja slijedi daljnja obrada odljevka kao što je odvajanje uljevnog sustava i srha s linije dijeljenja, koja se isto može robotizirati. Odvojeni priljevci odlažu se na palete i odvode kao povrat iz proizvodnje te se ponovno tale. Slika 5.16. prikazuje odljevak bloka motora s uljevnim sustavom i nakon naknadne obrade.

Slika 5.15. Stanica za tlačni lijev s robotom koji vadi odljevke.

68

Slika 5.16. Blok motora s uljevnim sustavom i spreman za ugradnju, nakon naknadne obrade.

Osnovna razlika između tlačnog lijevanja s toplom i hladnom komorom, osim načina ubrizgavana rastaljenog metala, je u trajanju ciklusa lijevanja. Općenito su ciklusi lijevanja s toplom komori kraći. Dva su razloga tome. Prvo, sustav za ubrizgavanje rastaljenog metala radi tako da se završetkom prethodnog ciklusa cilindar već počinje puniti s rastaljenim metalom za sljedeće ubrizgavanje. Odnosno, u peći se uvijek nalazi količina rastaljenog metala četiri puta veća nego što je potrebna za jednosatni neprekinuti rad. Kod hladne komore, nakon završetka svakog ciklusa nova se količina rastaljenog metala mora dopremiti do komore (žlicom ili dozatorom) što zahtijeva dodatno vrijeme. Drugo, legure koje se lijevaju s toplom komorom imaju niže temperature tališta nego što imaju legure za lijevanje s hladnom komorom, što znači da će i vrijeme skrućivanja biti kraće, a time automatski i vrijeme jednog ciklusa lijevanja.

5.2.3. Kalupi za tlačni lijev

Kalupi za tlačni lijev s toplom komorom i tlačni lijev s hladnom komorom su u principu jednaki. Za izradu kalupa koriste se materijali otporni na toplinu i trošenje, najčešće visokolegirani alatni čelici za topli rad. Kalup je najčešće složene konstrukcije što omogućuje proizvodnju odljevaka kompleksnih oblika s visokim stupnjem točnosti dimenzija, slika 5.17. Obično se sastoji od dva dijela koji se montiraju na ploče stroja za tlačno lijevanje. Jedan je dio kalupa pokretan, a drugi je nepokretan. Svaki je sastavljen od većeg broja međusobno povezanih elemenata. Postavljanjem pokretnog dijela kalupa na pokretnu, a nepokretnog na nepokretnu ploču stroja osigurano je zatvaranje i otvaranje kalupa te izbacivanje odljevka. Pokretni i nepokretni dio kalupa spajaju se na liniji dijeljena i ona mora biti postavljenja tako da se nakon otvaranja kalupa odljevak odvoji od nepokretnog dijela kalupa i zadrži u pokretnom dijelu sve dok ga izbacivači ne odvoje od njega. U pokretnoj i nepokretnoj

Odljevak sa uljevnim sustavom

69

polovici kalupa izrađene su kalupne šupljine koje imaju oblik budućeg odljevka. Ovisno o obliku odljevka, kalupna šupljina može biti u samo jednoj polovici kalupa, dok je druga polovica ravna ploča. Točan međusobni položaj polovica kalupa pri sklapanju osiguravaju čahure i trnovi za centriranje. Time se automatski dobiva i točno sučeljavanje kalupnih šupljina u pokretnom i nepokretnom dijelu kalupa. U kalupu se osim kalupne šupljine nalazi uljevni sustav te kanali za otplinjavanje i ventilaciju. Na pokretnoj polovici kalupa nalazi se mehanizam za odvajanje odljevka od kalupa – izbacivači.

Kalupi se najčešće izrađuju modularno, tako se u slučaju oštećenja jednog dijela kalupa on lako zamjenjuje novim dijelom, bez potrebe za promjenom cijelog kalupa. Općenito, u jednom se kalupu može odliti nekoliko desetaka tisuća odljevaka.

a) b)

Slika 5.17. Kalupi. a)Posuda za ulje kamionskog motora i kalup za tlačni lijev (Alatnica Haerer), b) poklopac.

Kalupi se razlikuju ovisno o veličini serije. Za pojedinačnu proizvodnju kalupi su jednostavne konstrukcije s jednom kalupnom šupljinom. Za lijevanje manjih odljevaka u serijskoj i masovnoj proizvodnji koriste se kalupi s više kalupnih šupljina u jednom kalupu ili je kalup izveden tako da se u jednoj kalupnoj šupljini na isti uljevni sustav poveže više odljevaka. U masovnoj proizvodnji velikih i složenih odljevaka upotrebljavaju se kalupi od više dijelova, ali s jednom kalupnom šupljinom.

Osim lijevanja proizvodnja odljevaka tlačnim postupkom uključuje pomoćne operacije poput doziranja rastaljenog metala, premazivanja (prskanja) kalupa – za strojeve s hladnom komorom, vađenja odljevka iz kalupa, skidanje srha s linije dijeljenja, odvajanje uljevnog sustava, kontrole gotovog odljevka i skladištenje. Kompletan proces proizvodnje odljevaka danas je potpuno automatiziran i obavlja se pomoću robota, čime se bitno povećava produktivnost te kvaliteta odljevka. Na slici 5.18. prikazan je tlocrt ljevaonice tlačnog lijeva.

70

Slika 5.18. Ljevaonica tlačnog lijeva.

U tablici 5.2. prikazane su prednosti i nedostaci tlačnog lijeva.

Tablica 5.2. Prednosti i nedostaci tlačnog lijeva. Prednosti Nedostaci

• visoka produktivnost • općenito ograničeno na metale nižeg tališta

• odljevci glatke i čiste površine • geometrija (oblik) odljevka mora omogućiti izbacivanje iz kalupne šupljine

• visoka točnost oblika • potrebna visoka ulaganja u opremu • visoka kvaliteta površine i dimenzijska

točnost

• mogućnost lijevanja tankostijenih odljevaka (0.6 - 3.8 mm)

• zbog brzog hlađenja formira se struktura sa sitnim zrnom te visoke čvrstoće

• dugi radni vijek kalupa za lijevanje

• lako odvajanje uljevnog sustava

71

5.3. Niskotlačni lijev

Niskotlačni lijev, slika 5.19., je postupak kod kojeg se rastaljeni metal ulijeva u kalup pod tlakom od približno jednog bara. Ovim se postupkom najčešće lijevaju legure aluminija i magnezija za automobilsku industriju te pneumatske i hidrauličke uređaje. Niskotlačnim lijevom mogu se još lijevati legure bakra, cinka te željezni lijev. Odljevci su dobrih mehaničkih svojstava i glatke površine, mase od 5 do 100 kg. Ovim se postupkom lijevaju felge, blokovi motora, glave motora, klipovi, kućišta, dijelovi automobilskih ovjesa.

Slika 5.19. Stanica za niskotlačni lijev i sustavom za izmjenu peći (Kurtz) i skrućena felga u kalupu prije vađenja (BBS).

Strojevi za niskotlačni lijev

Za niskotlačni lijev koriste se poluautomatizirani ili potpuno automatizirani strojevi, slika 5.20. Osnovni dijelovi stroja su elektrootporna ili indukcijska peć s loncem za taljenje metala koja se nalazi u hermetički zatvorenom kućištu (ili varijanta s peći za održavanje temperature), hidrauličkog uređaja za vertikalno otvaranje i zatvaranje kalupa, cijevi za dovod rastaljenog metala te kalupa koji se nalazi iznad peći za taljenje.

Slika 5.20. Niskotlačni lijev.

KOKILA

GRIJAČ IZBACIVAČ

DOVODNA CIJEV

TALJEVINA INDUKCIJSKA

ZAVOJNICA

LONAC

72

Kalup se sastoji od pomičnog (gornjeg) i nepomičnog (donjeg) dijela koji su pričvršćeni na pomičnu, odnosno nepomičnu ploču stroja. Kretanje pomične ploče, a ujedno i pomičnog dijela kalupa je vertikalno. Pomicanjem prema dolje omogućuje se ulijevanje, dok se pomicanjem prema gore omogućuje vađenje skrutnutog odljevka. Kalup je napravljen tako da se odljevak nakon otvaranja kalupa zadrži u gornjem dijelu kalupa. Od gornjeg se dijela kalupa odvaja pomoću izbacivača te se zatim ručno ili pomoću robota vadi iz kalupa. Za izradu kalupa najčešće se koriste alatni čelici ili željezni lijev. Ti se kalupi redovito hlade vodom (češće) ili zrakom. U samom kalupu izrađeni su kanali za hlađenje vodom pomoću kojih se osigurava brzo i usmjereno skrućivanje. Zbog takvog skrućivanja dobiva se sitnozrnata mikrostruktura te se postižu bolja mehanička svojstva odljevka. Uz to, hlađenjem vodom (zrakom) doprinosi se skraćenju trajanja ciklusa lijevanja. Uljevni sustav za niskotlačni lijev sastoji se samo od uljevka. Naime, odljevak se puni kroz samo jednu ulaznu točku koja je povezana sa cijevi za dovod rastaljenog metala. Kako nema pojila, vrlo je bitno postaviti uljevak tako da on posljednji skrućuje. Zbog neposrednog kontakta uljevka i dovodne cijevi skupljanje metala nadoknađuje se rastaljenim metalom iz lonca. Dovodna cijev se zbog istrošenosti mora mijenjati svakih nekoliko tjedana. Za izradu tih cijevi danas se koriste visokočvrsti vatrootporni materijali.

Bitno je naglasiti da se kalupna šupljina puni od uljevka, koji je najniža točka kalupne šupljine prema gore, te se tijekom takvog punjenja zrak iz kalupne šupljine potiskuje prema gore. Zbog takvog se načina punjenja u gornjem dijelu kalupne šupljine moraju obavezno nalaziti otvori za izlaz zraka. Često su takvi otvori povezani s izbacivačima. Ukoliko to zahtijeva geometrija odljevka, otvori za izlaz zraka mogu se postaviti i na drugim mjestima u kalupu.

Kalupi se prije lijevanja, osobito aluminija moraju prskati premazima da bi se spriječilo lijepljenje odljevka na stjenke kalupa.

Cijev za dovod rastaljenog metala uronjena je u lonac. Zbog toga nema nikakvog utjecaja atmosfere (npr. oksidacije) na rastaljeni metal tijekom čitavog procesa lijevanja, a kako se kalup polagano popunjava odozdo ne nastaju turbulencije, koje bi mogle zarobiti plinove iz atmosfere. Zato je ovim postupkom moguće dobiti vrlo kvalitetne odljevke.

Postupak niskotlačnog lijevanja

Koraci pri niskotlačnom lijevanju su sljedeći, slika 5.21.:

1. Zatvaranje kalupa. U hermetički zatvoren lonac dovodi se plin pod tlakom od 0,2 do 0,5 bara koji uzrokuje podizanje rastaljenog metala kroz cijev za dovod i njegovo ulijevanje u zatvoreni kalup.

2. Kalup je potpuno popunjen. Tlak doseže svoju maksimalnu vrijednost od 1 bar i zadržava se sve dok odljevak potpuno ne skrutne. Time je omogućeno održavanje kalupa punim te nadoknađivanje skupljanja metala iz dovodne cijevi.

3. Prestankom djelovanja tlaka u kalupu i peći rastaljeni metal iz cijevi vraća se u lonac. 4. Otvaranje kalupa. Odvajanje odljevka pomoću izbacivača od pokretne polovice

kalupa. 5. Vađenje odljevka iz kalupa pomoću robota ili istresne platforme.

73

Slika 5.21. Koraci pri niskotlačnom lijevanju.

Prednosti postupka niskotlačnog lijeva su:

• znatno smanjeni gubici materijala i energije

• nisu potrebna pojila, a uljevni sustav je bitno manjih dimenzija, slika 5.22. • nema pojave turbulencija prilikom punjenja kalupne šupljine pa je ovaj postupak

iznimno povoljan za lijevanje Al- i Mg- legura • dobivanje odljevaka vrlo dobrih mehaničkih svojstava • minimalna naknadna obrada odljevaka.

Slika 5.22. Usporedba gravitacijskog kokilnog lijeva i kompresora. Smanjenje mase odljevka sa priljevcima od 21,3 kg (iskoristivost

na 12,2 kg (iskoristivost

Za izradu šupljina u odljevku koriste se jezgre. Osim metalnih, rastaljenog metala mogu se koristiti i pješč

kalupi ili kalupi izrađeni od jezgrenih paketa,

Slika 5.23. Niskotlačno lijevana aluminijska konzola u pješč

stjenkama približno jednakim kao kod tlač

Iz svega navedenog proizlaze glavne

• kontrolirano popunjavanje kalupa, • usmjereno skrućivanje, • visoka ekonomičnost.

5.4. Protutlačni lijev

Protutlačni lijev je varijanta niskotlač đ

bara), koji mora biti niži od tlaka u pećnačin još je manja mogućnost nastanka turbulencija. Zbog tlaka u kalupu, tbiti veći nego kod niskotlačnog lijevanja, a kvaliteta odljevaka još bolja. Dobiva se još manja poroznost i bolja mikrostruktura odljevka, ali su troškovi izrade već

74

Usporedba gravitacijskog kokilnog lijeva i niskotlačnog lijeva na primjeru kućkompresora. Smanjenje mase odljevka sa priljevcima od 21,3 kg (iskoristivost

na 12,2 kg (iskoristivost taljevine 92%) (Kurtz).

Za izradu šupljina u odljevku koriste se jezgre. Osim metalnih, zbog niskih trastaljenog metala mogu se koristiti i pješčane jezgre. Isto tako mogu se koristiti i pješč

đeni od jezgrenih paketa, slika 5.23.

čno lijevana aluminijska konzola u pješčanom kalupu (naprijed) stjenkama približno jednakim kao kod tlačnog lijeva (iza) i zato nekoliko grama teža.

Iz svega navedenog proizlaze glavne značajke postupka:

kontrolirano popunjavanje kalupa, ćivanje,

čni lijev je varijanta niskotlačnog lijeva sa određenim pretlakom u kalupu (4 do 5 bara), koji mora biti niži od tlaka u peći, kako bi rastaljeni metal mogao popuniti kalup. Na taj č ćnost nastanka turbulencija. Zbog tlaka u kalupu, t

ć čnog lijevanja, a kvaliteta odljevaka još bolja. Dobiva se još manja poroznost i bolja mikrostruktura odljevka, ali su troškovi izrade veći.

čnog lijeva na primjeru kućišta kompresora. Smanjenje mase odljevka sa priljevcima od 21,3 kg (iskoristivost taljevine 54%)

zbog niskih tlakova punjenja Isto tako mogu se koristiti i pješčani

č čanom kalupu (naprijed) sa čnog lijeva (iza) i zato nekoliko grama teža.

č č đenim pretlakom u kalupu (4 do 5 ći, kako bi rastaljeni metal mogao popuniti kalup. Na taj

č ćnost nastanka turbulencija. Zbog tlaka u kalupu, tlak napajanja može ć čnog lijevanja, a kvaliteta odljevaka još bolja. Dobiva se još manja

5.5. Centrifugalni lijev

Centrifugalni lijev patentiran je počprimjenjuje u praksi proizvodnje odljevaka od 1920

Pri centrifugalnom se lijevanju rastaljeni metal ulijeva u metalni kalup koji rotira dozavrši skrućivanje taljevine.

Za vrijeme ulijevanja taljevinesila teža i centrifugalna sila. Zbog toga oblik i kristalna struktura odljevka ovise o zajedničkom djelovanju tih sila.

Centrifugalna sila iskorištava se za:

- utiskivanje rastaljenog met- za oblikovanje paraboloidne ili cilindrič

Os vrtnje kalupa može biti vertikalna, horizontalna ili nagnuta pod kutom od 3 horizontali.

Centrifugalno se mogu lijevati gotovo svi metalinodularni lijev, nehrđajući čelik, legure aluminija, kobalta i titana. Ipak, najčešće se lijevaju legure bakra, aluminijcentrifugalno se mogu lijevati nemetali, npr. keramika, staklo, polimeri, odnosno svaki materijal koji se može prevesti u tekuć

Klasični postupak centrifugalnog lijevanja koristi se za izradu cilindričsimetričnih šupljih dijelova. U novimanjim asimetričnostima, kao i puni dijelovi.

Na ovaj se način lijevaju vodovodne cijevi, klizni ležajevi, ozubljena kola, košuljice cilindara za motore s unutarnjim izgaranjem, kao i odljevci kod usahlina, plinskih poroznosti i nemetalnih uključ

proizvedenih centrifugalnim lijevom je to što imaju jednaka svojstva u svim smjerovima.

Slika 5.24. Centrifugalno lijeva

75

Centrifugalni lijev patentiran je početkom 19. stoljeća. Međutim, ovaj se postupak šire izvodnje odljevaka od 1920-tih godina.

Pri centrifugalnom se lijevanju rastaljeni metal ulijeva u metalni kalup koji rotira do

evine i skrućivanja odljevka, na rastaljeni metal istovremeno djeluju sila teža i centrifugalna sila. Zbog toga oblik i kristalna struktura odljevka ovise o

čkom djelovanju tih sila.

Centrifugalna sila iskorištava se za:

utiskivanje rastaljenog metala u kalupnu šupljinu za oblikovanje paraboloidne ili cilindrične slobodne površine rastaljenog metala.

Os vrtnje kalupa može biti vertikalna, horizontalna ili nagnuta pod kutom od 3

Centrifugalno se mogu lijevati gotovo svi metali – ugljični čelik, legirani čđ ć čelik, legure aluminija, magnezija, nikla, bakra, cinka, kositra,

češće se lijevaju legure bakra, aluminija, te sivi lijevogu lijevati nemetali, npr. keramika, staklo, polimeri, odnosno svaki

materijal koji se može prevesti u tekuće ili kašasto stanje.

čni postupak centrifugalnog lijevanja koristi se za izradu cilindriččnih šupljih dijelova. U novije vrijeme tim se postupkom lijevaju složeniji odljevci s

čnostima, kao i puni dijelovi.

čin lijevaju vodovodne cijevi, klizni ležajevi, ozubljena kola, košuljice cilindara za motore s unutarnjim izgaranjem, kao i odljevci kod kojih je potrebna zbijena struktura, bez usahlina, plinskih poroznosti i nemetalnih uključaka, slika 5.24. Specifičproizvedenih centrifugalnim lijevom je to što imaju jednaka svojstva u svim smjerovima.

Centrifugalno lijevani odljevci, cijevi od nodularnog lijeva i košuljice cilindra kamionskih motora.

ć đutim, ovaj se postupak šire

Pri centrifugalnom se lijevanju rastaljeni metal ulijeva u metalni kalup koji rotira dok ne

ćivanja odljevka, na rastaljeni metal istovremeno djeluju sila teža i centrifugalna sila. Zbog toga oblik i kristalna struktura odljevka ovise o

čne slobodne površine rastaljenog metala.

Os vrtnje kalupa može biti vertikalna, horizontalna ili nagnuta pod kutom od 3 - 5° prema

č čelik, legirani čelik, sivi lijev, magnezija, nikla, bakra, cinka, kositra,

a, te sivi lijev. Osim metala ogu lijevati nemetali, npr. keramika, staklo, polimeri, odnosno svaki

čni postupak centrifugalnog lijevanja koristi se za izradu cilindričnih rotacijskih je vrijeme tim se postupkom lijevaju složeniji odljevci s

čin lijevaju vodovodne cijevi, klizni ležajevi, ozubljena kola, košuljice cilindara kojih je potrebna zbijena struktura, bez

Specifičnost odljevaka proizvedenih centrifugalnim lijevom je to što imaju jednaka svojstva u svim smjerovima.

ni odljevci, cijevi od nodularnog lijeva i košuljice cilindra

76

Postupak centrifugalnog lijevanja

Centrifugalni se lijev često naziva tekućim otkivkom, zbog toga što se prilikom ulijevanja rastaljeni metal doslovno kuje zbog visokog tlaka uzrokovanog centrifugalnom silom.

Tijekom centrifugalnog lijevanja metalni se kalup okreće oko svoje osi velikom brzinom (n= 500 - 1600 min-1) potiskujući rastaljeni metal na stijenke, gdje poprima oblik kalupa i skrućuje, slika 5.25. Zbog djelovanja centrifugalne sile nije potrebna jezgra za oblikovanje unutrašnjosti (šupljine) odljevka. Odljevci će uvijek imati cilindričnu unutarnju površinu, dok vanjska ne mora biti cilindrična.

Slika 5.25. Varijante centrifugalnog lijevanja s metalnim kalupom bez hlađenja. a) i c) horizontalna os rotacije, b) vertikalna os rotacije sa jezgrom.

Značajke centrifugalnog lijeva:

- zbog djelovanja centrifugalne sile odljevci imaju sitnozrnatu mikrostrukturu, više su gustoće te su im poboljšana mehanička svojstva

- za vrijeme rotacije kalupa teže čestice putuju prema površini kalupa istiskujući lakše okside i nečistoće prema središnjoj osi, odakle se kasnije odstranjuju strojnom obradom

- skrućivanje odljevaka je od vanjske površine (koja je u dodiru s kalupom) prema sredini odljevka, zbog čega su odljevci bez pukotina, plinskih mjehura i poroznosti.

Uređaji za centrifugalni lijev

Uređaj za centrifugalni lijev mora biti izveden tako da se pomoću njega može izvesti šest operacija vrlo precizno i s višestrukim ponavljanjem, slika 5.26.

77

Slika 5.26. Strojevi za centrifugalni lijev (Strojar d.o.o.)

Operacije su sljedeće:

• uređaj mora imati određeni broj okretaja • mora omogućiti zagrijavanje kalupa i nanošenje premaza na kalup prije ulijevanja

rastaljenog metala • mora omogućiti sigurno punjenje rotirajućeg kalupa rastaljenim metalom • unutar kalupa mora biti omogućeno pravilno skrućivanje i hlađenje kako bi se dobili

kvalitetni odljevci bez grešaka • mora biti omogućeno dodavanje modifikatora i rastaljenog metala (u slučajevima kad

je to potrebno) • mora biti omogućeno brzo vađenje skrutnutog, ali još uvijek vrućeg odljevka iz kalupa

bez da ga se deformira.

Većina uređaja za centrifugalni lijev je mehanizirana i automatizirana te su vrlo često povezani s računalom kako bi sve operacije i svi parametri u svakom ciklusu lijevanja bili isti. Uz to, omogućen je stalni nadzor proizvodnje. Potpuna automatizacija uređaja neophodna je kako bi se još povećala produktivnost te kvaliteta centrifugalnog lijeva.

Osnovni dijelovi uređaja za centrifugalno lijevanje su, slika 5.27.: valjci za rotaciju kalupa, lijevak za ulijevanje rastaljenog metala, kalup, uređaji za hlađenje kalupa, uređaji za grijanje kalupa i premazivanje i dozatori modifikatora.

Slika 5.27. Centrifugalni lijev.

78

Valjci služe za rotaciju kalupa određenom brzinom. Valjci su preko prijenosnika pogonjeni hidrauličnim ili električnim motorom. Kod horizontalnih uređaja kalup se postavlja na postolje s valjcima kojega onda valjci podupiru i rotiraju određenom brzinom. Za rotaciju vertikalnih uređaja, najčešće se koristi jedan valjak postavljen ispod kalupa, a postolje s valjcima postavlja se uzduž kalupa kako bi ga poduprli.

Kalupi za centrifugalno lijevanje su stalni, što znači da se pomoću jednog kalupa može odlijati velik broj odljevaka. Za izradu kalupa najčešće se upotrebljavaju sivi lijev, niskougljični čelik, bakar i grafit. Da bi se dobila homogena, glatka vanjska površina odljevka bez grešaka, radne površine kalupa se prije ulijevanja rastaljenog metala predgrijavaju i premazuju. Temperatura predgrijavanja regulira brzinu hlađenja odljevka od površine kalupa prema unutrašnjosti, što je direktno povezano s dobivanjem određene mikrostrukture i određenih mehaničkih svojstava odljevka. Premazi su suspenzije mljevenog vatrostalnog materijala u vodi u koje se dodaju sredstva za bolje prianjanje rastaljenog metala na stijenke kalupa. Premazi se najčešće nanose prskanjem. Kalupi se premazuju i zbog zaštite radne površine kalupa od djelovanja rastaljenog metala, čime se kalupu produljuje vijek trajanja.

Do lijevka za ulijevanje rastaljeni se metal doprema iz peći, pomoću lonca. Najčešće su lijevci opremljeni termosenzorima i indukcijski su grijani. Postoje dvije izvedbe lijevaka. U jednoj je izvedbi lijevak nepomičan, a stroj s kalupom kreće se uzdužno po tračnicama tako da se rastaljeni metal ulijeva u rotirajući kalup od jednog kraja do drugog. U drugoj je izvedbi stroj s kalupom nepomičan, dok se lijevak pomiče i tako puni kalup. Prije ulijevanja rastaljenog metala u kalup, kalup mora imati određen broj okretaja.

Kako se sa svakim ulijevanjem rastaljenog metala kalup zagrijava, on se mora hladiti vodom kako bi se održala odgovarajuća temperatura kalupa. Hlađenjem se kalupu također produžuje vijek trajanja. Najčešće je hlađenje kalupa izvedeno tako da se oko kalupa stavlja plašt napunjen vodom koja cirkulira i tako ga hladi. Kalup se hladi samo za vrijeme kad se u njemu skrućuje odljevak, dakle hlađenje počinje kad se cijeli kalup napuni i traje sve dok odljevak nije spreman za vađenje iz kalupa.

Vađenje odljevka iz kalupa najčešće je izvedeno automatskim istiskivačem (tlačnim klipom). Nakon što odljevak skrutne istiskivač istisne odljevak iz kalupa.

79

Postupak centrifugalnog lijeva može se podijeliti u četiri faze:

1. pripremna faza

• zagrijavanje kalupa i premazivanje površine kalupa premazom 2. faza ulijevanja rastaljenog metala

• prije ulijevanja kalup mora imati određeni broj okretaja • ulijevanje rastaljenog metala

• nakon što je čitav kalup ispunjen započinje hlađenje kalupa (radi održavanja određene temperature kalupa)

3. faza skrućivanja

• skrućivanje odljevka je od vanjske površine prema unutarnjoj

4. završna faza

• nakon završetka skrućivanja odljevak se istiskuje iz kalupa

Nakon vađenja odljevka započinje novi ciklus lijevanja.

Horizontalni centrifugalni lijev najviše se koristi za lijevanje jednostavnijih odljevaka kod kojih je duljina puno veća od promjera i za odljevke jednakog unutarnjeg promjera. To su cijevi i tuljci, košuljice cilindara, bubnjevi kočnica, klipni prsteni, ventili te ostali cilindrični i cjevasti odljevci jednostavnijeg oblika.

Vertikalni centrifugalni lijev koristi se za lijevanje odljevaka kod kojih je promjer veći od duljine ili odljevaka s konusom. Ovim se postupkom mogu lijevati i necilindrični i nesimetrični odljevci. Najčešće se lijevaju kratke cijevi te odljevci, valjkasti ležajevi te manji odljevci prstenastog oblika.

80

6. TALIONI ČKE PEĆI

U ljevaoničkoj proizvodnji postoje razni načini dobivanja taljevine spremne za lijevanje. U prosjeku, na procese dobivanje taljevine, tj. taljenja metala i pripreme taljevine za ulijevanje otpada trećina ukupnih troškova proizvodnje odljevaka. Upravo zato procesi dobivanja taljevine moraju biti optimalno koordinirani s ostalim procesima u ljevaonici. Fleksibilnost pri dobivanju rastaljenog metala te njegovoj pripremi za ulijevanje, kao i mogućnost dobivanja potrebnih količina rastaljenog metala kroz duži vremenski period zahtijeva dobro prilagođenu jedinicu za taljenje i pripremu taljevine (peći posebno prilagođene za određenu leguru, veličina šarže, vrijeme ciklusa). Naime, sam način dobivanja taljevine direktno utječe na kvalitetu dobivenog odljevka.

Peći se razlikuju po konstrukciji i načinu zagrijavanja. Podjela peći prema načinu zagrijavanja odnosno izvoru energije prikazana je na slici 6.1.

Slika 6.1. Podjela peći prema izvoru energije.

Glavne vrste peći su:

1. kupolke (sa koksom ili bez koksa) 2. plamene peći 3. elektrolučne peći 4. elektrootporne peći 5. indukcijske peći.

U tim se pećima metal rastali i pregrije na određenu temperaturu iznad temperature tališta (likvidusa) na kojoj se održava sve do ulijevanja u kalupe. U većini tih peći obavljaju se također operacije legiranja i rafinacije.

6.1. Kupolke

Kupolke su peći koje se koriste samo za taljenje željeznih lijevova. To su visokoučinkovite peći koje se najčešće koriste za serijsku proizvodnju. Kupolke su vertikalne cilindrične peći opremljene sa žlijebom za izlijevanje pri dnu. S vanjske su strane obložene čeličnim limom, dok su s unutarnje obložene vatrostalnim materijalom. Pri vrhu peći nalazi se otvor za

81

ubacivanje zasipa – metalnog uloška (sirovo željezo, otpad od čeličnih limova, kružni materijal tj. uljevni sustavi i pojila), koksa i dodataka za formiranje troske (vapnenac). U metalni uložak još se dodaju i legirni elementi npr. ferosilicij i feromangan. Koks je gorivo čijim se izgaranjem osigurava energija potrebna za proces taljenja. Na samom vrhu peći nalazi se otvor za izlaz plinova. Moderne kupolke imaju specijalne filtere za pročišćavanje izlaznih plinova kupolke. Dno peći može se otvoriti,a nabijeno je pijeskom tako da je u nivou otvora za ispust rastaljenog metala. Iznad tog otvora, na suprotnoj strani peći, nalazi se otvor za ispust troske. Iznad dna peći nalaze se sapnice za dovod zraka, jednakomjerno raspoređene po obodu prstena. Zrak za izgaranje koksa dovodi se u sapnice pomoću ventilatora i posebnog cjevovoda. Kupolka je prikazana na slici 6.2.

Slika 6.2. Kupolna peć (kupolka).

Za ispravan rad peći važno je da su metalni uložak, koks i vapnenac jednakomjerno raspoređeni po horizontalnom presjeku kupolke. Zato se za ubacivanje tih materijala upotrebljavaju specijalne košare.

Taljenje u kupolki U pripremljenu kupolku najprije se ubacuje koks kojim se kupolka ispuni do određene visine iznad sapnica. Nakon što se koks pri dnu peći zapali i dobro zažari izmjenično se ulažu kroz otvor za ubacivanje zasipa određene količine koksa, metalnog uloška, vapnenca i dodataka. Kad se peć napuni, pušta se zrak kroz sapnice radi osiguranja potrebne količine kisika za izgaranje. Izgaranjem koksa nastaju vrući plinovi koji se dižu prema gore te zagrijavaju i tale metalni uložak. Kako se metalni uložak tali, tako se slijeva na dno peći. Rastaljeni metal skuplja se na dnu peći gdje je u kontaktu s užarenim koksom pa lako preuzima ugljik od njega. Na taj se način dobiva željezna legura s određenim postotkom ugljika. Na površini

Dodaci za formiranje troske

Koks

Metalni uložak

82

taljevine pliva troska koja se posebno odvaja od rastaljenog metala kroz otvor za ispust troske. Regulacijom dovoda zraka regulira se proizvodna količina taljevine. U normalnom pogonu to može iznositi 75 tona željeznog lijeva na sat. Nedostatak je to što se nakon zasipavanja u peći vrlo malo može utjecati na kvalitetu taljevine. Zato, ako je potrebno, taljevina iz kupolne peći dalje se metalurški obrađuje u elektičnim pećima.

Postoje i kupolne peći bez koksa, kod kojih se kao gorivo koristi prirodni plin, a zasip se stavlja na rešetku iznad plamenika.

6.2 Plamene peći

6.2.1. Plamene peći s loncem

Plamene peći su peći u kojima se zasip ugrijava plamenicima izgaranjem plinovitog (zemni plin, propan) ili tekućeg goriva (loživo ulje). Prijenos topline obavlja se od plamenika na lonac, tako da vrući plinovi struje spiralno oko lonca prema gore. Lonac je izrađen od vatrootpornih materijala (silicij-karbida, grafita) ili od čelika. Ove se peći obično zagrijavaju s jednim plamenikom. Taljevina nije u neposrednom kontaktu s gorivom i dimnim plinovima, koji bi u kontaktu njom uzrokovali oksidaciju i određenu apsorpciju vodika. Taljevina se dodatno može zaštiti od oksidacije prekrivanjem raznim solima.

Plamene se peći uglavnom koriste za taljenje neželjeznih metala, kao što su legure bakra (bronca i mjed), cinka i aluminija.

U ljevaonicama se koriste tri tipa plamenih peći, slika 6.3.:

Slika 6.3. Plamene peći s loncem. a)podizni lonac, b) fiksni lonac, c) nagibni lonac.

Plinska peć s loncem je mali agregat u usporedbi sa kupolnom peći. Prikladna je za pripremu manjih količina taljevine. Upravljanje parametrima je jednostavnije nego kod kupolke.

6.2.2. Plinske koritaste plamene peći za taljenje aluminijskih legura

Za taljenje većih količina aluminija u ljevaonicama se koriste plinske koritaste peći, slika 6.4. Prijenos topline obavlja se od plamenika na svod i zidove peći, koji se zagriju na 1100 do 1200 °C, a oni zatim isijavanjem prenose toplinu na metal (temperatura lijevanja Al-legura iznosi približno 700 °C). Ove se peći obično zagrijavaju s više plamenika. Plamenici nisu izravno usmjereni na metal, budući da bi se direktnim plamenom uzrokovala oksidacija i veći

83

gubitak metala (odgor). U ovim pećima može lako doći do lokalnog pregrijavanja taljevine, a gorivo i dimni plinovi s taljevinom uzrokuju oksidaciju i određenu apsorpciju vodika. Pregrijavanje je moguće riješiti tako da se metal zagrijava indirektno (proces zagrijavanja plamenicima odvija se u posebnoj komori), a taljevina se može zaštiti od oksidacije raznim solima. Otvor za ispuštanje rastaljenog metala nalazi se na dnu peći.

Peći mogu biti stabilne ili nagibne. Rastaljeni metal iz peći izlijeva se u ljevačke lonce. Ti lonci služe za prenošenje taljevine do peći za održavanje temperature koja se nalazi uz stroj za lijevanje ili kalupnu liniju.

Slika 6.4. Nagibna plinska koritasta peć za taljnje aluminija (StrikoWestofen).

6.3. Elektrootporne peći

U elektrootpornim se pećima toplina potrebna za taljenje metalnog uloška dobiva provođenjem električne energije kroz različite materijale koji imaju veliki specifični otpor (žice, trake, štapovi). Prolaskom struje ti se materijali zagriju na visoku temperaturu te se toplina na metalni uložak prenosi zračenjem, konvekcijom ili kondukcijom. Osnovna prednost elektrootpornih peći je to što se one mogu koristiti univerzalno te zahtijevanju minimalno održavanje. Zbog svoje slabe efikasnosti, elektrootporne se peći sve više izbacuju iz pogona te se zamjenjuju malim srednjefrekventnim indukcijskim pećima. Danas su ove peći najčešće u primjeni kao peći za održavanje temperature taljevinama legura lakih metala.

6.4. Elektrolučne peći

Elektrolučne peći su peći, slika 6.5., koje se prvenstveno koriste za taljenje čelika.

Kod elektrolučne peći taljenje metala obavlja se u cilindričnom loncu. Lonac i poklopac peći izrađeni su od čeličnog lima, a obloženi su vatrostalnim i izolirajućim materijalom. Peć leži na kružnom segmentu od masivne čelične konstrukcije pomoću kojeg se naginje. Poklopac se može okretati oko jedne vertikalne osovine koja se nalazi izvan lonca. Tako je omogućeno otvaranje i punjenje peći. Kroz posebne otvore na poklopcu prolaze u unutrašnjost peći dvije

84

ili tri grafitne elektrode. Dubina elektroda u peći regulira se automatski. Na jednoj strani lonca nalazi se otvor za ispust taljevine, a na suprotnoj su strani vratašca za kontrolu rada i ubacivanje dodataka u peć te otvor za ispust troske.

Princip rada

Kroz grafitne elektrode dovodi se u peć struja velike jakosti. U početku rada s hladnom peći nije moguće zatvoriti strujni krug direktno između elektroda zbog visokog otpora hladnog zraka. Zbog toga se elektrode spuste sve dok ne dotaknu metalni uložak preko kojeg se zatvori strujni krug. Na mjestima kontakta s elektrodama metalni se uložak brzo rastali. Ubrzo zatim nastaje i električni luk između elektroda, te se one podižu. Temperatura luka iznosi 3500 do 4000 °C, što uzrokuje brzo taljenje ostatka metalnog uloška. Peći imaju veliku potrošnju energije, ali je moguće konstruirati peći za visoke kapacitete

Slika 6.5. Elektrolučna peć.

6.5. Indukcijske peći

Indukcijske peći prvenstveno se koriste za taljenje čelika, željeznih ljevova i aluminijskih legura (mogu se taliti svi metali). Izrađuju se u širokom rasponu veličina.

Razlikuju se dva tipa indukcijskih peći:

• kanalne

• indukcijske peći s loncem.

6.5.1. Indukcijska peć s loncem

Peć je prikazana na slici 6.6. Energija potrebna za taljenje metala dobiva se putem elektromagnetske indukcije. Metalni zasip smješten je u loncu oko kojeg se nalazi vodom hlađena bakrena spirala koja je zapravo induktor. Struja prolazi kroz induktor i stvara promjenjivo magnetsko polje koje inducira struju u metalu koji se nalazi u loncu. Djelovanjem te struje metal stvara električni otpor zbog kojeg se brzo zagrijava i tali. Elektromagnetska sila istovremeno uzrokuje miješanje rastaljenog metala zbog kojeg je

85

brzina taljenja metalnog uloška i legirnih elemenata velika, a taljevina je visoke kvalitete, čistoće i homogenosti. Miješanje onemogućuje pregrijavanje taljevine i ujednačuje kemijski sastav. Lonac peći izrađuje se nabijanjem praškaste vatrostalne mase s unutarnje strane induktora. Ta masa ujedno predstavlja i izolaciju. Manji lonci kupuju se gotovi. Noseća konstrukcija peći izrađena je od čeličnih limova. Na vrhu lonca je poklopac koji sprječava gubitke topline prema gore i žlijeb za izlijevanje taljevine. Taljevina se izlijeva hidrauličkim nagibanjem peći. U industriji se najčešće koriste srednjefrekventne indukcijske peći, te ponekad niskofrekventne. Obje su vrste indukcijskih peći vrlo ekonomične u usporedbi s ostalim vrstama peći za taljenje. Kod ovih je peći metalni uložak postavljen direktno u lonac te je moguće početi s procesom taljenja čak i kad je metalni uložak potpuno krut, a može se zagrijavati već rastaljeni metal. Kako metal nije u dodiru s grijačim tijelom, moguće je dobro kontrolirati okolnu atmosferu, što rezultira taljevinom visoke kvalitete i čistoće. Idustrijsko postrojenje koje se sastoji od indukcijske peći s dva lonca prikazano je na slici 6.7. Veličine lonca obično iznose od jedne do nekoliko tona čelika.

Slika 6.6. Indukcijska peć, presjek i laboratorijska peć.

Slika 6.7. Industrijsko postrojenje, indukcijska peć s dva lonca (Otto Junker).

86

6.5.2. Kanalna indukcijska peć

Peć je prikazana na slici 6.8. Ova cilindrična peć izrađena je od čeličnog lima i obložena je vatrostalnim materijalom iznutra. S dna peći vodi kanal također obložen vatrostalnim materijalom. Kanal s dnom peći čini zatvoreni krug unutar kojeg se nalazi primarni navoj s jezgrom od transformatorskog lima. Kad se primarni navoj spoji s izvorom električne struje induciraju se u rastaljenom metalu u kanalu struje velike jakosti. Pri tome metal u kanalu ima karakteristike sekundarnog navoja transformatora. Zbog otpora metala razvija se toplina. Miješanjem taljevine zbog elektromagnetskih sila predaje se toplina i na taljevinu u koritu peći. Električna energija za taljenje u ovoj peći predaje se preko relativno male mase taljevine u kanalu, tako da se ona mora pregrijati na relativno visoku temperaturu i što brže gibati kroz kanal da bi predala toplinu preostaloj taljevini u peći.

Zato se ove peći obično koriste za održavanje temperature taljevine i njeno legiranje (miješanje). Može se koristiti i za ulijevanje na kalupnoj liniji. Taljevina se u kanalu nikad ne smije skrutnuti, uvijek mora ostati malo taljevine. U manjoj se mjeri upotrebljavaju za taljenje legura aluminija i obojenih metala.

Slika 6.8. Kanalna indukcijska peć.

7. LJEVAČKI LONCI

Talina se od peći do kalupa prenosi loncima, slika 7.1. i 7.2 ili ljevačkim žlicama za prenošenje i ulijevanje, slika 7.3. Vanjski, nosivi dio ljevačkog lonca izrađuje se od čelika, dok je unutra posebna vatrostalna masa za lonce, kao izolacija između taljevine i metalnog dijela lonca. Transport taljevine i postupak ulijevanja može se vršiti ručno ili prijenosnim sredstvima (dizalicama, viličarima) ovisno o stupnju mehanizacije i količini taline koja se prenosi.

87

Slika 7.1. Ljevački lonac za ručno prenošenje i ulijevanje (Dalekovod).

Slika 7.2. Lonac za prenošenje većih masa taljevine, s kukom za dizalicu i mehanizmom za naginjanje (MIV).

Slika 7.3. Ljevačka žlica (Lipovica).

KOLO ZA NAGINJANJE

88

8. PROCES SKRUĆIVANJA

Proces skrućivanja metala ima važnu ulogu u određivanju tehnologije lijevanja i definiranju svojstava gotovog odljevka. Tijekom skrućivanja, rastaljeni metal prelazi u krutu fazu tvorbom kristala. Odljevak se sastoji od mnoštva kristalnih zrna međusobno odvojenih granicama zrna. Izuzetak je odljevak od monokristala, gdje se rast omogućava samo jednom zrnu. Postupci proizvodnje monokristala strogo su kontrolirani. Izratci dobiveni na ovaj način imaju specijalna svojstva koja nije moguće postići kod skrućivanja polikristaliničnih metala (metala s velikim brojem zrna).

Na slici 8.1. prikazan je tijek skrućivanja. Uočava se da prvo u taljevini nasumično nastaju klice iz kojih se onda razvijaju kristalna zrna. Ta kristalna zrna postaju sve veća sve dok se ne sudare i jedna drugima ne onemoguće daljnji rast. Kad se sudare, različito orijentirana kristalna zrna (orijentacija ovisi o smjeru odvođenja topline i o kristalnoj strukturi metala) vežu se jedna na druge, a između njih se javljaju nepravilne granične površine koje se nazivaju granicama zrna. Proces skrućivanja završen je kada nestane taljevine. Veličina, oblik i položaj kristalnih zrna nastalih tijekom skrućivanja čini mikrostrukturu odljevka. Kod nekih legura, npr. željeznog lijeva, do dodatnih mikrostrukturalnih promjena dolazi pri hlađenju do sobne temperature.

Slika 8.1. Shematski prikaz skrućivanja metala: (a) nukleacija kristala u taljevini metala; (b) i (c) rast kristala s napredovanjem skrućivanja; (d) skrućivanje je završeno (vide se pojedine granice zrna)

U praksi, da bi se dobila željena mikrostruktura, a time i željena mehanička svojstva odljevka, taljevina se prije ulijevanja obrađuje cijepljenjem i modifikacijom kojima se usitnjava mikrostruktura, odnosno mijenja oblik zrna. Cijepljenje utječe na uvjete nukleacije u taljevini, a modifikacija na uvjete rasta pojedinačnih kristala. Osim obrade taljevine kemijskim sredstvima, na promjenu mikrostrukture može se utjecati i regulacijom prijenosa topline sa skrućujućeg metala na materijal kalupa odnosno regulacijom brzine hlađenja taljevine u kalupu.

Sljedeće svojstvo metala koje ima glavni utjecaj na procesa lijevanja je skupljanje ili stezanje tijekom hlađenja taljevine, skrućivanja i završnog hlađenja skrutnutog odljevka, slika 8.2. Prilikom skupljanja smanjuje se volumen metala.

89

Slika 8.2. Skupljanje metala prilikom hlađenja taljevine, skrućivanja i hlađenja skrutnutog odljevka.

Napajanje je osnovno gledište procesa lijevanja, osmišljeno i izvedeno da uravnoteži razlike u volumenu koje se javljaju za vrijeme hlađenja i skrućivanja taljevine. Drugim riječima, skupljanje tijekom skrućivanja, odnosno smanjenje volumena odljevka kompenzira se napajanjem. Napajanje mora biti tako izvedeno da nadoknađuje svaku promjenu volumena u kalupu. Na slici 8.3. prikazan je pojednostavljeni prikaz nastajanja (skrućivanja) odljevka za ulijevanje kroz pojilo. Kod oblikovanja pojila treba voditi računa da poroznost skupljanja (usahlina) bude u pojilu, a ne u odljevku. Ako je pojilo za vrijeme skupljanja u tekućem stanju i prilikom skrućivanja je nadoknadilo smanjenje volumena, znači da je ispunilo svoju funkciju. Da bi pojilo ispunilo svoju funkciju mora zadnje skrutnuti, što se postiže usmjerenim skrućivanjem, slike 8.4-8.6 postaje pravilno i nepravilno smještanje pojila.

Razlike u volumenu, tablica 8.1., ovise o metalu ili leguri koja se lijeva. Kod sivog i nodularnog lijeva može doći do povećanja volumena odljevka za vrijeme skrućivanja (ekspanzija grafita), što se može iskoristiti u smislu smanjenja ili eliminacije primjene pojila.

Za tehnologiju lijevanja i napajanja važan je iznos skupljanja u tekućem stanju i za vrijeme skrućivanja. Za konstrukciju modela i kalupa važan je iznos skupljanja u krutom stanju jer se on ne može kompenzirati taljevinom iz pojila, već se direktno odražava na konačne dimenzije odljevka. Iznos skupljanja u krutom stanju također ovisi o vrsti metala, tablica 8.2. Dimenzije modela i odljevka moraju se povećati, tako da se nakon skupljanja dobije zahtijevana veličina odljevka na sobnoj temperaturi.

90

Slika 8.3. Pojednostavljeni prikaz nastajanja (skrućivanja) odljevka.

Slika 8.4. Smjer skruć

Slika 8.5

Slika 8.6. Ispravno dimenzionirana pojila, šuplina zbog skupljanja ostala je u pojilima.

91

Smjer skrućivanja odljevka i nastajanje usahlina.

5. Pravilano i nepravilno smještanje pojila.

spravno dimenzionirana pojila, šuplina zbog skupljanja ostala je u pojilima.

ćivanja odljevka i nastajanje usahlina.

spravno dimenzionirana pojila, šuplina zbog skupljanja ostala je u pojilima.

92

Tablica 8.1. Skupljanje pri skrućivanju za različite lijevane metale.

Metalni lijev Volumno skupljanje pri skrućivanju % Ugljični čelik 2,5 – 3 1%-tni ugljični čelik 4 Bijelo lijevano željezo 4 – 5,5 Sivo lijevano željezo Varira od 1,6 skupljanja do 2,5 širenja Nodularni lijev Varira od 2,7 skupljanja do 4,5 širenja Bakar 4,9 Cu-30Zn 4,5 Cu-10Al 4 Aluminij 6,6 Al-4,5Zn 6,3 Al-12Si 3,8 Magnezij 4,2 Cink 6,5

Tablica 8.2. Skupljanje u krutom stanju za različite metale.

9. NAKNADNA OBRADA ODLJEVAKA

9.1. Čišćenje odljevaka

Kod postupaka lijevanja u jednokratne kalupe, odljevak se iz kalupa vadi istresanjem tako da se kalup razruši. Tijekom istresanja odljevka iz kalupa dolazi do kidanja veziva, pri čemu kalupna mješavina gubi čvrstoću te se odljevak lako izvadi van. Istresanje odljevka obavlja se na vibracijskim rešetkama, pneumatskim čekićem, vodenim mlazom ili u bubnjevima. Nakon

Željezni lijev sa lamelarnim grafitom sa kuglastim grafitom, neodžareni sa kuglastim grafitom, odžareni

Čelični lijev manganski tvrdi čelik

Temper lijev bijeli (GJMW) crni (GJMB)

Aluminijeve ljevačke legure

Magnezijeve ljevačke legure

Bakareni lijev (elektrolit.) bakar-kositar-leg. (Bronca) bakar-kositar-cink-leg.(Crveni lijev) bakar-cink-leg. (Mjed)

Specijalna mjed (Cu-Zn-Mn(Fe-Al))

Višelegirana aluminijska bronca Cinkove ljevačke legure

Bijela kovina (olovo-kositar)

Metalni lijev

Iznos %

Moguće odstupanje %

93

što se odljevak izvadi iz kalupa, ostatak pijeska na površini odljevka uklanja se u rotirajućim bubnjevima ili mlazom abrazivnih čestica (pjeskarenje, sačmarenje), slika 9.1. Površina odljevaka dobivenih lijevanjem u trajne kalupe ne čisti se na ovaj način jer je dovoljno visoke kvalitete.

Slika 9.1. Čišćenje odljevaka sačmarenjem.

Uljevni sustav i pojila uklanjaju se toplinskim rezanjem, rezanjem brusilicama, pilama ili lomljenjem. Uklanjanje površinskih neravnina i grešaka, prije svega metalnih izraslina, obavlja se brušenjem brusilicama što je vrlo skupo jer se još i danas obavlja ručno.

9.2. Toplinska obrada

Toplinska obrada slijedi nakon završetka čišćenja odljevaka. Ona se provodi ukoliko je potrebno modificirati metalnu strukturu čitavog odljevka (žarenje, popuštanje, kaljenje, starenje, precipitacijsko očvršćivanje) ili određene površine (površinsko kaljenje ili nitriranje). Žarenjem za smanjenje naprezanja uklanjaju se vlastita zaostala naprezanja nastala tijekom skrućivanja, odnosno skupljanja, bez promjene strukture metala.

10. KONTROLA PROCESA LIJEVANJA

10.1. Osiguranje kvalitete

Kontrola kvalitete bitna je kod svih koraka u proizvodnji odljevaka, od dobave sirovog materijala do konstrukcije odljevka. Pravilno provedena kontrola kvalitete sprječava nastanak odljevaka s greškom (škarta) ili ako nije uspjela, omogućuje pronalaženje loših odljevaka i njihovo izdvajanje prije isporuke naručitelju. U nekim slučajevima, takvi loši odljevci mogu se još uvijek „spasiti“ npr. zavarivanjem ili toplinskom obradom. Statistička analiza proizvodnih podataka i rezultati ispitivanja tvore temelj svakog procesa kontrole kvalitete, bez obzira na tip proizvodnje. Metode ispitivanja i njihovi troškovi odraz su strogosti zahtjeva za kvalitetom, tablica 10.1. Zaštita od korozije je zaseban aspekt osiguranja kvalitete odljevaka.

94

Tablica 10.1. Kontrola kvalitete odljevaka.

Svojstva Ispitivanja

Ispitni odljevci Klinasta proba

Ispitivanje debljine stijenke

Ispitivanje površinskih pukotina

Ispitivanje mikrostrukture

Ispitivanje tvrdoće

Sastav Kemijska analiza

Površina Vizualna kontrola (hrapavost, površinske greške)

Kontrola pukotina pomoću:

- penetranata - magnetnih čestica

Mjerenja Dimenzija, težine, deformacija

Gustoća

uključci

Težina

Ultrazvučna ispitivanja

Radiografska ispitivanja

Tvrdoća File test (strojna obradivost)

Mjerenje tvrdoće po Brinell-u, Rockwell-u, itd.

Struktura Metalografska ispitivanja

Fizikalne metode

Mehanička svojstva

(statička i dinamička)

Ispitivanja na ispitnim uzorcima uzetim iz odljevka

ili

lijevanje posebnih ispitnih uzoraka

Nakon završetka svih faza izrade, kontroliraju se karakteristike odljevaka koje utječu na njegovu upotrebljivost. Ovisno o namjeni odljevka, različiti su i zahtjevi kvalitete. Kod odljevaka gdje se zahtjeva samo točnost osnovnog oblika, provodi se vizualna kontrola. Ukoliko postoje zahtjevi za dimenzijsku točnost, provodi se kontrola mjerenjem, dok je za ostala svojstva, kao što su kemijski sastav, mehanička svojstva, struktura, nepropusnost, potrebno provesti laboratorijska ispitivanja npr. analizu kemijskog sastava, ispitivanje mikrostrukture, mehanička ispitivanja, ispitivanje pod tlakom i dr.

95

10.1.1. Greške na odljevcima

U tehnološkom procesu proizvodnje odljevaka, postupcima koji se provode i materijalima koji se koriste nalazi se mnogo potencijalnih mjesta nastanka greške. Veze između uzroka i posljedica te mogućnost međudjelovanja različitih uzroka nastanka škarta vrlo su složene. Jedan uzrok može izazvati više različitih grešaka, a ista greška može biti prouzrokovana djelovanjem različitih uzroka ili njihovom kombinacijom. Zadatak ispitivanja pogrešaka sastoji se u što jasnijem definiranju vrste greške, uzroka njenog nastajanja i sukladno tome razvijanju potrebnih protumjera. Današnjim razvijenim metodama simulacija ulijevanja i skrućivanja moguće je ostvariti znatne uštede, jer se greška otkriva na virtualnom modelu još u fazi tehnološke razrade, te ju je moguće (u većini slučaja) izbjeći pravilnim preoblikovanjem uljevnog sustava (ili modela). Postoji više klasifikacija vrsta grešaka. Tako greške možemo podijeliti prema postupku lijevanja ili izgledu pogreške. Greške na odljevcima prema postupcima lijevanja dijele se na: • greške do kojih može doći kod bilo kojeg postupka lijevanja; • greške karakteristične za pješčani lijev.

Podjela grešaka na odljevcima prema izgledu

Prema izgledu, greške se mogu klasificirati: • u 7 osnovnih razreda (oznaka velika slova A-G) • svaki razred je podijeljen u skupine • skupine pogrešaka podijeljene su u podskupine • unutar podskupina navedene su pojedinačne greške Oznaka pojedinačne pogreške sadrži slovo razreda, broj skupine, broj podskupine i broj pogreške (npr. A112 – oznaka za žilice). Razredi grešaka: A – Metalne izrasline B – Šupljine C – Prekinuti odljevak D – Površinski nedostaci E – Nepotpuni odljevak F – Netočnost mjera i oblika G – Uključci i heterogenosti.

96

Primjeri nekih karakterističnih grešaka dani su u tablici 10.2.

Tablica 10.2. Karakteristične greške na odljevcima.

Vrsta greške i skica Opis Mjere pomoći

NEDOLIVENOST ODLJEVKA

Odljevak se skrutnuo prije nego li je rastaljeni metal u potpunosti ispunio kalupnu šupljinu.

• povišenje temperature ulijevanja,

• promjena oblika ili veličine ušća,

• koristiti leguru bolje livljivosti.

NESTALJENO PODRUČJE

Rastaljeni metal je s više strana tekao u kalupu (npr. oko jezgre), ali zbog preranog skrućivanja nije došlo do potpunog staljivanja metala.

NEMETALNI UKLJUČCI

Uključci imaju sastav troske, tj. sastoje se od oksida sulfida i drugih nemetalnih spojeva netopivih u rastaljenom metalu. Mogu biti okruglasti ili u obliku strija.

• smanjenje udjela elemenata sklonih oksidaciji

• skraćivanje trajanja skrućivanja

• uklanjanje troske prije ulijevanja.

USAHLINA

Usahlina se može pojaviti kao ulegnuće na površini odljevka ili unutar odljevka, a nastaje zbog stezanja materijala prilikom skrućivanja i hlađenja te nedostatka rastaljenog metala koji bi kompenzirao razliku volumena u području koje posljednje skrućuje.

• osiguranje usmjerenog skrućivanja prema mjestu posljednjeg skrućivanja (pojilu),

• proračunavanje pojila,

• uporaba egzotermnih pojila,

• postavljanje hladila.

97

MJEHURAVOST

Zbog visoke temperature ulijevanja metala dolazi do otpuštanja plinova iz kalupne mješavine koji ostaju zarobljeni ispod površine odljevka. Može doći do formiranja većih mjehura ili puno sitnih mjehurića.

• upotrebljavati čišće kalupne materijale,

• smanjiti udio čeličnog otpada u zasipu,

• smanjiti udio vlage u pijesku.

PENETRACIJA RASTALJENOG METALA

Kod metala visoke tecljivosti (malog viskoziteta), na mjestima jakog zagrijavanja kalupa i slabe zbijenosti pijeska, može doći do penetracije rastaljenog metala u pijesak kalupa ili jezgre, pa se materijal odljevka na kraju sastoji od mješavine metala i pijeska.

• uporaba finijeg pijeska,

• povećanje udjela veziva,

• premazivanje kalupa,

• sniženje temperature ulijevanja.

POMAK

Prilikom sklapanja donjaka i gornjaka može doći do bočnog pomaka dvaju dijelova modela, kalupa ili pomaka jezgre uzrokujući tako na liniji dijeljenja stepenasti oblik pogreške na odljevku.

• Tehnološka disciplina pri centriranju modela, kalupa i jezgri.

10.2. Zaštita radnog mjesta i okoliša

Iako su se sami odljevci, kao i svi ostali metalni proizvodi, uvijek mogli kompletno reciklirati kao lomljevina, u proizvodnji odljevaka postoje neki materijali koji se trenutno još uvijek ne mogu reciklirati i oporabiti.

U okvirima zaštite okoliša, ljevaonice ne posvećuju posebnu pažnju, prvenstveno na prašinu, buku, taloge, ispušne plinove, tekući i kruti otpad nastao taljenjem i lijevanjem u kaluparnici (obrada, regeneracija, priprema, otapala i premazi) i u čistionici. Iskorišteni pijesak, koji čini i do 75 % otpada u ljevaonici, postao je veliki trošak za ljevaonicu, prvenstveno zbog povišenja cijene njegovog odlaganja. Unapređenje ljevaoničke proizvodnje danas se bazira na smanjenju udjela otpada optimizacijom proizvodnog procesa, recikliranjem i oporabom materijala te na kraju obrada otpadnih materijala prije njihovog odlaganja kako bi se uklonile sve štetne primjese.

11. METALI ZA LIJEVANJE

Legure za lijevanje zajednički je naziv za legirane metale od kojih se izrađ

Lijevanju čistih metala rijetko kad se pristupa jer je legure puno lakše lijevati, a i odljevci imaju bolja svojstva. Zahvaljujućlegura koje se mogu lijevati. Sve legure za lijevanje podijeljene su u dvije osnovne skupine legura za lijevanje: željezne legure i neželjezne legure, kao

Slika 11.1. Podjela metalnih legura za lijevanje

98

ZA LIJEVANJE - LIJEVOVI

nički je naziv za legirane metale od kojih se izrađ

čistih metala rijetko kad se pristupa jer je legure puno lakše lijevati, a i odljevci imaju bolja svojstva. Zahvaljujući razvoju metalurgije, danas je na raspolaganju velik broj

ura koje se mogu lijevati. Sve legure za lijevanje podijeljene su u dvije osnovne skupine legura za lijevanje: željezne legure i neželjezne legure, kao što je prikazano na

a)

b)

Podjela metalnih legura za lijevanje na dva načina

čki je naziv za legirane metale od kojih se izrađuju odljevci. čistih metala rijetko kad se pristupa jer je legure puno lakše lijevati, a i odljevci

ći razvoju metalurgije, danas je na raspolaganju velik broj ura koje se mogu lijevati. Sve legure za lijevanje podijeljene su u dvije osnovne skupine

što je prikazano na slici 11.1.

a) i b).

99

U tablici 11.1. dane su temperature tališta i gustoće nekih metala.

Tablica 11.1. Temperature tališta i gustoće metala.

Element Gustoća

[kg/dm3]

Talište

[°C]

Mg 1,74 650

Al 2,69 658

Zn 7,13 420

Sn 7,28 232

Fe 7,86 1530

Ni 8,86 1455

Cu 8,93 1083

Pb 11,34 327

Ag 10,51 960

Hg 13,4 -38

W 19,1 3380

Pt 21,34 1773

Au 19,34 1063

U industrijskoj proizvodnji još uvijek prevladava lijevanje željeznih legura iako se posljednjih godina sve više povećava i lijevanje neželjeznih legure, prije svega u automobilskoj industriji.

11.1. Željezne ljevačke legure

Željezne ljevačke legure su najrašireniji i najvažniji materijal suvremene tehnike. Tako je masa proizvedenih odljevaka od željeznih legura veća od mase odljevaka od svih ostalih ljevačkih legura zajedno.

Željezne ljevačke legure su legure željeza i ugljika, čija svojstva ovise prvenstveno o količini sadržanog ugljika, ali i o količini ostalih elemenata koji se redovito javljaju kod ovih ljevačkih legura. To su Si, Mn koji su uvijek prisutni kao pratioci te S i P kao nečistoće. U svrhu poboljšanja određenih svojstava željeznim legurama dodaju se još neki legirni elementi.

Osnovna podjela željeznih ljevačkih legura prikazana je na slici 11.2.

100

Slika 11.2. Podjela željeznih legura.

Sa slike 11.2. vidljivo je da se s obzirom na sadržaj ugljika željezne legure dijele na čelični lijev te na željezni lijev. Čelični lijev obuhvaća legure željeza koje imaju od 0,03 do oko 2% ugljika, dok željezni lijev obuhvaća legure koje sadrže > 2% ugljika.

101

Na slici 11.3. prikazana je usporedba mehaničkih svojstava željeznih materijala.

Slika 11.3. Usporedba mehaničkih svojstava željeznih materijala. 1 Sivi lijev, 2 Temper lijev, 3 Nodularni lijev, 4 Čelični lijev, 5 Čelik (gnječena legura).

11.1.1. Čelični lijev

U čelični lijev spadaju metastabilno kristalizirane legure koje sadrže od 0,03 do 2% ugljika koji je uvijek izlučen u obliku cementita. Osim ugljika, ovi ljevovi mogu sadržavati i neke druge legirne elemente, čine se dobivaju čelični ljevovi za posebnu upotrebu, npr. čelični lijev za strojogradnju ili čelični lijev otporan na visoke temperature.

Visoka temperatura taljenja čeličnog lijeva, kao i dugo vrijeme skrućivanja čine ovaj lijev manje prikladnom legurom. Međutim, zbog svojih dobrih mehaničkih svojstava, koja se još mogu dodatno poboljšati toplinskom obradom, to je povoljan konstrukcijski materijal koji ima vrlo čestu primjenu. Čelični lijev namijenjen je izradi dijelova konačnog oblika, tj. dijelova koji se više ne odrađuju nekim od postupaka plastične obrade, već se na konačne dimenzije dovode isključivo postupcima obrade odvajanjem česticama. Ovaj lijev ima važno značenje kod izrade velikih i složenih dijelova koji su mehanički opterećeni, posebice u željezničkoj industriji (kotači, kočnički okviri, vagonske spojke), rudarskoj (kućišta transportera), metaloprerađivačkoj industriji (dijelovi preša, valjaonički stanovi), kemijsko-naftnoj industriji (tijela visokotlačnih ventila, dijelovi bušećih motki), itd.

Vrlo je važno napomenuti da se odljevci od čeličnog lijeva samo rijetko upotrebljavaju neposredno nakon lijevanja zbog grube Widmannstättenove feritno-perlitno mikrostrukture koja daje nisku žilavost i istezljivost. Da bi se dobila mikrostruktura struktura slična čeličnoj,

102

ovaj se lijev najčešće podvrgava toplinskoj obradi normalizacije, pri čemu se dolazi do usitnjenja lijevane mikrostrukture i izjednačavanja veličine zrna. Na slici 11.4. prikazana je razlika između odlijane i toplinski obrađene legure čeličnog lijeva.

Slika 11.4. Razlika u mikrostrukturi između lijevanog i odžarenog stanja sivog lijeva

Osnovna svojstva čeličnog lijeva su:

• postupcima lijevanja moguće je dobiti složenu geometriju,

• visoka temperatura taljenja (viša nego za bilo koju drugu ljevačku leguru) ~1650°C

• relativno loša livljivost,

• slabo ispunjavanje kalupa pa je potrebno visoko pregrijavanje taljevine (radi toga minimalna debljina stjenke iznosi 5 mm),

• veliko skupljanje pri skrućivanju (do 5%) sa velikim nastankom poroznosti skupljanja (usahlina), potrebna su tanka ušća i velika pojila,

• veliko skupljanje u krutom stanju, između 1,5 i 3 %, koje uzrokuje zaostala naprezanja,

• u lijevanom stanju struktura je dendritna i zato krhka, pa je zbog toga i zbog zaostalih naprezanja odljevke potrebno odžariti.

11.1.2. Željezni lijev

U željezni lijev spadaju legure željeza s udjelom ugljika većim od 2%. To je idealan metal za oblikovanje lijevanjem zbog vrlo velike tecljivosti njegove taljevine te minimalnog volumenskog i unutarnjeg skupljanja. Pomoću ovog lijeva moguće je odliti najsloženije oblike i šupljine.

NORMALIZACIJA

LIJEVANO STANJE Widmannstättenova mikrostruktura ODŽARENO STANJE

usitnjena ferlitno-perlitna mikrosturktura s ujednačenom veličinom zrna

103

Šest je osnovnih vrsta željeznog lijeva:

• sivi lijev • bijeli (tvrdi) lijev • nodularni (žilavi) lijev • temper (kovkasti) lijev • vermikularni lijev • legirani lijev.

11.1.2.1. Sivi lijev

Sivi lijev pripada skupini željeznih ljevova kod kojih je ugljik izlučen u obliku grafita. Sadržaj ugljika kreće se između 2,5 i 4,5 %. Osim ugljika, ovaj lijev sadrži i primjese (Si, Mn, P i S). Mikrostruktura sivog lijeva je dvojna i sastoji se od: ugljika koji je pretežno izlučen u obliku listićavog grafita sive boje (iako se C može izlučiti i u obliku cementita) te željezne osnove koja je feritna, perlitna ili feritno-perlitna (legiranjem i TO mogu se postići i druge temeljne strukture (austenit, martenzit, bainit). Na slici 11.5. prikazana je mikrostruktura sivog lijeva.

a) b)

Slika 11.5. Mikrostruktura sivog lijeva;

a) pretražni mikroskop, b) nenagriženi uzorak

Zbog grafitne listićave strukture, budući da grafitni listići prekidaju kontinuitet metalne osnove, odnosno djeluju kao zarezi u metalnoj osnovi, mehanička svojstva sivog lijeva uvelike ovise o količini, obliku, veličini i raspodjeli grafita. Općenito, sivi lijev ima relativnu nisku vlačnu čvrstoću, tvrdoću, žilavost, istezanje i modul elastičnosti te povećanu osjetljivost na debljinu stjenke. Pozitivne strane sivog lijeva su: dobra strojna obradivost, visok stupanj prigušenja vibracija, otpornost na toplinske šokove (visoka toplinska vodljivost), izvanredna livljivost, te visoka tlačna čvrstoća i ekonomičnost. Mehanička svojstva, osim o količini, obliku, veličini i raspodjeli grafita ovise i o debljini stjenke.

Jedna od glavnih odlika sivog lijeva je velika tlačna čvrstoća zbog čega se sivi lijev prvenstveno primjenjuje na mjestima jako opterećenima na tlak. Tipična područja primjene sivog lijeva su: strojogradnja (postolja i dijelovi strojeva, kućišta), odljevci za peći i

104

štednjake, konstrukcije, armature za vodovodne sustave, procesna industrija i energetika, industrija motornih vozila (cilindri, klipni prstenovi, blokovi i glave motora, kočioni diskovi, razni zupčanici, dekorativni odljevci (ukrasni stupovi, stupovi rasvjete itd.) i još mnoga druga područja.

Osnovna tehnološka svojstva sivog lijeva su:

• dobra livljivost - skupljanje u krutom stanju iznosi oko 1%

• mogu se lijevati odljevci svih masivnosti i složenosti

• proizvodnja je jednostavna i jeftinija nego u drugih lijevova

• nisko talište (1150 do 1250 °C) s obzirom na približno eutektički sastav i uzak interval skrućivanja

• mala sklonost poroznosti skupljanja (usahlinama), manja nego kod nodularnog i čeličnog lijeva.

11.1.2.2. Bijeli (tvrdi) lijev

U bijelom (tvrdom) lijevu, slika 11.6., čitav je ugljik vezan u obliku cementita (Fe3C). Ima do najviše 3% C i povećani sadržaj Mn. Ugljik se izlučuje samo u obliku cementita, dok temeljnu strukturu čine perlit i ferit. Zbog povećane količine cementita bijeli lijev je izrazito tvrd (> 400 HV) i krhak, pa se primjenjuje samo kad se traži velika otpornost na abrazijsko trošene i pritiske te visoka tvrdoća.

Nelegirani bijeli lijev rijetko se koristi, više se upotrebljava bijeli lijev legiran sa Cr, Ni, Mo, Mn, V, W i Ti. Osim povećanja otpornosti na abrazivno trošenje, legiranjem se mogu postići i određena svojstva žilavosti ovog inače krtog materijala.

Bijeli lijev prvenstveno služi za izradu jednostavnijih dijelova izloženih trošenju koji nisu dinamički opterećeni; kod drobilica, mlinova, hidrauličkih klipova, valjaka za valjanje limova, dijelovi drobilica za kamen; valjci u metalnoj, papirnoj ili pekarskoj industriji , žigovi i alati za izvlačenje žice, kotači i papuče kočnica tračnih vozila, matrice za briketiranje ugljena, cigle i keramike.

U usporedbi s ostalim vrstama lijevova bijeli tvrdi lijev naginje stvaranju šupljina i zaostalih naprezanja pri lijevanju.

105

Slika 11.6. Razlika između bijelog i sivog lijeva

11.1.2.3. Temper (kovkasti) lijev

U temper lijev spadaju legure željeza i uglika te primjesa s pretežnim udjelom ugljika izlučenim u obliku grafitnih pahuljica (čvorića) koje su poznate kao temper –ugljik. Metalna osnova je perlitna i feritna.

Na slici 11.7. prikazana je mikrostruktura temper lijeva.

Slika 11.7. Mikrostruktura temper lijeva

Temper lijev dobiva se od bijelog lijeva tzv. decementacijskim žarenjem – toplinskom obradom u kojoj se cementit potpuno raspada na željezo i ugljik i pri čemu se ugljik izlučuje u

106

kompaktne nakupine – pahuljice koje su raspoređene u feritnoj ili perlitnoj osnovi. Dakle, polazna sirovina za dobivanje temper lijeva jesu odljevci bijelog tvrdog lijeva, kao što je prikazano na slici 11.5. Bijeli lijev ima bolju livljivost pa se predmeti kompliciranijeg oblika izliju od tog lijeva, a zatim ih se decementacijskim žarenjem pretvara u temper lijev.

Nakon decementacijskog žarenja dobivaju se prikladna uporabna svojstva – niža tvrdoća, veća žilavost i kovkost, bolja obradljivost, tako da su mehanička svojstva odljevaka od temper lijeva vrlo slična svojstvima ugljičnog čelika ili svojstvima nodularnog lijeva. Temper lijev karakterizira niska temperatura taljenja te volumensko stezanje tijekom hlađenja i skrućivanja koje je veće nego kod sivog lijeva (1 – 2%). Zbog tog većeg volumenskog stezanja treba posebnu pažnju posvetiti pravilnoj konstrukciji odljevka (jednake debljine stjenki, blagi prijelazi) i sustavu napajanja.

Odljevci od temper lijeva obično su manjih dimenzija (do cca 10 kg). Tipična područja primjene: automobilska industrija, industrija poljoprivrednih strojeva i armature.

11.1.2.4. Nodularni (žilavi) lijev

Nodularni lijev sastoji se od istih faza kao i sivi lijev, ali se od sivog lijeva razlikuje po obliku grafitnih kristala. Grafit se kod ovog lijeva izlučuje u obliku kuglica (nodula). Kako kuglasti grafit relativno blago prekida metalnu masu to nodularni lijev ima znatno višu čvrstoću, izduženje i žilavost od sivog lijeva s lisnatim grafitom. Na slici 11.8. prikazana je mikrostruktura nodularnog lijeva.

a) b) c)

Slika 11.8. Mikrostruktura nodularnog lijeva;

a), b) pretražni mikroskop, c) nenagriženi uzorak

Nodularni lijev ujedinjuje prednosti sivog i čeličnog lijeva, tj. ima dobru žilavost i čvrstoću jednaku čeličnom lijevu, a dobru livljivost kao i sivi lijev.

Zbog povoljne kombinacije svojstava nodularni lijev zamijenio je u mnogim aplikacijama sivi, čelični i temper lijev. Tipični primjeri primjene jesu: koljenaste i bregaste osovine motora, košuljice cilindara motora i kompresora, zupčanici, poklopci kliznih ležaja.

107

11.1.2.5. Vermikularni lijev

struktura je vrlo bliska nodularnom lijevu - metalna osnova u lijevanom stanju je pretežno feritne ili feritno-perlitne strukture koja se dobiva bez naknadne toplinske obrade. Zbog dodavanja Mg i elemenata rijetkih zemalja prilikom proizvodnje ugljik se izlučuje u obliku grafita koji je morfološka varijanta između lisnatog i kuglastog grafita, tzv. crvićasti grafit. Na slici 11.9. prikazana je mikrostruktura vermikularnog lijeva.

a) b)

Slika 11.9. Mikrostruktura vermikularnog lijeva;

a) pretražni mikroskop, b) nenagriženi uzorak

Vermikularni lijev se pri lijevanju ponaša slično sivom lijevu, a po svojstvima je bliže nodularnom lijevu. Osim ljevarsko-tehničkih prednosti, željezni lijev s vermikularnim grafitom pokazao se posebno korisnim za lijevanje odljevaka koji su temperaturno opterećeni. Prigušuje vibracije slično kao i sivi lijev. Vrlo je dobra zamjena za dijelove koji su bili lijevani od temper lijeva. Veliko područje primjene je u proizvodnji cilindarskih glava za brodske dizel – motore. Osnovna značajka željeznog lijeva s vermikularnim grafitom je u tome što pruža povoljnu kombinaciju svojstava sivog lijeva i nodularnog lijeva. Toplinska vodljivost, strojna obradivost, livljivost i prigušenje je kao kod sivog lijeva, dok su vlačna svojstva približna vrijednostima nodularnog lijeva

11.2. Neželjezne legure za lijevanje

Neželjezne legure obično se dijele na lake i teške. U skupinu lakih spadaju metali i legure kojima je gustoća manja od 4,5 kg/dm3. To su magnezij, aluminij i titan. Zbog velikih teškoga pri lijevanju titan i njegove legure zasad nemaju primjenu u ljevarstvu.

U skupinu teških metala (gustoća > 4,5 kg/dm3) koji se koriste u ljevarstvu spadaju bakar, nikal, cink, kositar, olovo i njihove legure.

108

11.2.1. Aluminij i legure aluminija

Čisti se Al, kao ljevačka sirovina, vrlo rijetko koristi zbog loše livljivosti i slabih mehaničkih svojstava, već se prvenstveno koriste legure aluminija. Osnovna svojstva aluminija prikazana su u tablici 11.2.

Tablica 11.2. Osnovna svojstva aluminija.

Legiranje ima za cilj prvenstveno poboljšanje mehaničkih svojstava, ponajprije vlačne čvrstoće i tvrdoće, zatim krutosti, rezljivosti, katkada žilavosti ili livljivosti. Aluminij se legira širokim rasponom elemenata, od kojih su najvažniji silicij, magnezij i bakar. Podjela aluminijevih legura prikazana je na slici 11.10.

Slika 11.10. Podjela aluminijevih legura

Osnovna svojstva aluminija

Talište (° C) 660

Gustoća (kg/dm3) 2,7

Vlačna čvrstoća (N/mm2) 50…150

Tvrdoća (HB) 20…35

Modul elastičnosti (kN/mm2) 690

Istezljivost (%) 50…4

109

Al-Cu legure

Al-Cu legure su toplinski očvrstive legure s osrednje visokom čvrstoćom, srednjom ili slabom udarnom otpornošću, dobro su otporne na višim temperaturama i dobro rezljive. Ove legure imaju malu otpornost prema koroziji te su slabe livljivosti. Livljivost se još dodatno pogoršava s porastom sadržaja bakra. Veliki nedostatak im je i sklonost tvorbi toplih pukotina pri skrućivanju., osobito pri lijevanju u kokile. Radi osiguranja djelatnog usitnjenja zrna potrebno im je dodati magnezij i/ili titan.

Al-Mg legure

Glavna značajka ovih legura je dobra korozijska postojanost, također i prema djelovanju morske vode te povećana čvrstoća. Međutim, u odnosu na ostale ljevačke legure aluminija imaju znatno slabiju livljivost te povećanu sklonost prema porozitetu. Jako se dobro zavaruju te se često rabe za arhitektonske i dekorativne potrebe, bilo u lijevanom, strojno obrađenom, poliranom ili anodiziranom stanju. Neke od njih otporne su i na udarce, pa se mogu uporabiti za umjereno opterećene dijelove u pomorstvu. Najbolju kombinaciju čvrstoće i žilavosti ima legura s 10 % Mg, no zbog otežane livljivosti rijetko se koristi najčešće se koriste legure s 3 % i 5 % Mg.

Al-Si legure

Kod Al-Si legura silicij je osnovni element koji doprinosi dobroj livljivosti Al legura, pa su to najrasprostranjenije legure u grupi lijevanih legura, posebno one s 10 % i 13 % Si. Osim livljivosti, silicij u Al-Si legurama poboljšava i otpornost prema nastajanju toplih pukotina te svojstva napajanja odljevka. Al-Si legure mogu se upotrebljavati kao čiste binarne legure koje imaju izvrsnu livljivost i otpornost prema koroziji, no zbog slabijih mehaničkih svojstava, prije svega male čvrstoće, te slabe strojne obradljivost, ovim se legurama često dodaju i drugi legirni elementi (najčešće Mg, Cu, Fe).

S obzirom na udio silicija u Al-Si legurama, razlikujemo podeutektičke legure (< 12 % Si), eutektičke legure (12-13 % Si) te nadeutektičke legure (15-24 % Si), što je prikazano na slici 11.11.

110

Slika 11.11. Podjela Al-Si legura.

Legure aluminija zauzimaju sve značajnije mjesto u ljevačkoj proizvodnji zbog svojih dobrih tehnoloških i mehaničkih svojstava - proizvodnji odljevaka od aluminijevih legura prethodi jedino proizvodnja željeznih lijevova. Dobra svojstva aluminijevih legura su: zanemariva rastvorivost plinova (osim vodika), vrlo dobra livljivost (mogućnost lijevanja dijelova s vrlo tankim detaljima), niske temperature taljenja (oko 660 °C). Najveći nedostatak aluminijevih legura je volumno stezanje tijekom skrućivanja koje se kreće između 3,5 i 8,5 %.

11.2.2. Magnezij i legure magnezija

Čisti magnezij se ne lijeva u kalupe. Magnezij ima slaba mehanička svojstva. Osim toga, na višim temperaturama eksplozivno reagira s kisikom iz zraka. Legiranjem mu se poboljšavaju mehanička svojstva i otpornost na koroziju. Osnovna svojstva čistog magnezija i njegovih legura dana su u tablici 11.3.

111

Tablica 11.3. Osnovna svojstva magnezija i njegovih legura

Osnovna svojstva Mg Mg legura

Talište (° C) 650 650

Gustoća (kg/dm3) 1,74 1,8…1,85

Vlačna čvrstoća (N/mm2) do 100 160…250

Vrelište (° C) 1102

Skupljanje (%) 1,2 1,0…1,5

Istezljivost (%) 10…15 2…12

Glavni legirni elementi su: Al, Zn, Mn i Zr. Legure magnezija lijevaju se u pijesak, kokile i pod tlakom. Zbog velikog afiniteta prema kisiku, tale se i lijevaju u zaštitnoj atmosferi. Osnovno svojstvo magnezijevih legura je njihova mala gustoća – zbog toga neke magnezijeve legure imaju bolju specifičnu čvrstoću od aluminijskih legura.

11.2.3. Bakar i legure bakra

Čisti bakar lijeva se samo kad se zahtijeva čim bolja električna ili toplinska provodljivost odljevka. Čisti bakar ima lošu livljivost te veliku sklonost poroznosti. U tablici 11.4. dana su osnovna svojstva bakra.

Tablica 11.4. Osnovna svojstva bakra

Osnovna svojstva bakra

Talište (° C) 1083

Gustoća (kg/dm3) 8,96

Vlačna čvrstoća (N/mm2) 200…360

Tvrdoća (HB) 40…130

Modul elastičnosti (kN/mm2) 125

Istezljivost (%) 2…45

Legiranjem bakra dobiju se legure s dobrim mehaničkim i drugim svojstvima, a posebno dobrom otpornošću na koroziju.

112

Legure bakra namijenjene lijevanju razvrstavaju se u sljedeće skupine:

• bronce • mjedi • crveni lijev

• novo srebro.

Na slici 11.12. prikazane su osnovne legure bakra.

Slika 11.12. Podjela bakrenih legura.

11.2.4. Cink i legure cinka

Čisti se cink rijetko lijeva, osim za izradu anoda za zaštitu od korozije cijevnih vodovoda i brodova. Češće se koristi legiran sa Al, Mg, Cu i Zn. Osnovna svojstva cinka i njegovih legura dana su u tablici 11.5.

Tablica 11.5. osnovna svojstva cinka i njegovih legura.

Osnovna svojstva Zn Zn legura

Talište (° C) 420 420

Gustoća (kg/dm3) 7,13 6,5…6,8

Vlačna čvrstoća (N/mm2) 30…40 200…350

Tvrdoća (HB) 40…45 70…100

Skupljanje (%) 1,7 1,3

Istezljivost (%) 0,3…0,5 1…5

113

Osnovna svojstva cinkovih legura su:

• visoka livljivost. • dobra tecljivost omogućava jednostavno lijevanje • ne smije se izlagati trajnom opterećenju zbog niske čvrstoće puzanja

• u posljednjim godinama raste upotreba tlačnih cilindričnih odljevaka

• najčešće se koristi za izradu dijelova za motorna vozila.

•

11.2.5. Olovo i legure olova

Čisto se olovo upotrebljava u kemijskoj industriji. Osnovna svojstva olova dana su u tablici 11.6.

Tablica 11.6. Osnovna svojstva olova.

Osnovna svojstva olova

Talište (° C) 327

Gustoća (g/cm3) 11,34

Vlačna čvrstoća (N/mm2) 18

Tvrdoća HB (N/mm2) 3

Istezanje (%) 45…70

Legure olova odlikuju se dobrim plastičnim svojstvima. Upotrebljavaju se za konstrukcijske dijelove mjernih alata, tiskarska slova, akumulatore i ležajeve.

11.2.6. Kositar i legure kositra

Čisti kositar se ne koristi za lijevanje u kalupe. Osnovna svojstva kositra dana su u tablici 11.7.

114

Tablica 11.7. Osnovna svojstva kositra

Osnovna svojstva kositra

Talište (° C) 232

Gustoća (g/cm3) 7,29

Vlačna čvrstoća (N/mm2) 30

Tvrdoća HB (N/mm2) 4

Istezanje (%) 45

Legure kositra najčešće se lijevaju pod tlakom i to za izradu dijelova električnih, plinskih i drugih mjerača i u radio-televizijskoj tehnici.

11.2.7. Nikl i legure nikla

Čisti nikl se rijetko lijeva u kalupe jer naginje plinskoj poroznosti. Puno se češće lijevaju legure nikla, i to legure Ni-Cu i Ni-Mo za dijelove plinskih turbini. Osnovna svojstva nikla dana su u tablici 11.8.

Tablica 11.8. Osnovna svojstva nikla.

Osnovna svojstva nikla

Talište (° C) 1455

Gustoća (g/cm3) 8,90

Vlačna čvrstoća (N/mm2)

Tvrdoća HB (N/mm2)

Istezanje (%)

115

12. LITERATURA

1. B. Awiszus, J. Bast, H. Dürr, K.J. Matthes, Grundlagen der Fertigungstechnik, Carl Hanser Verlag München, 2009.

2. R. Roller et al, Fachkunde für giessereitechnische Berufe, Europa-Lehrmitel Verlag, 2009.

3. K. Herfurth, N. Ketscher, M. Köhler, Giessereitechnik kompakt, Giesserei Verlag, Düsseldorf, 2005.

4. ..., Grundlagen der Giessereitechnik, PowerPoint-Präsentation, VDG, 2005.

5. H. Träger, A. Bührig-Polaczek, Foundry technology, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2005.

6. ..., Casting, ASM Handbook, Vol. 15, ASM International, 2008.

7. I. Budić, Posebni ljevački postupci, II. dio, SFSB, Slavonski Brod, 2009.

8. I. Katavić, Ljevarstvo, Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci, Rijeka, 2001.

9. D. Živković, Lijevanje metala, FESB, Split, 2007.

10. M. Trbižan, Livarstvo, skripta NTF Ljubljana.

11. M. Galić, Proizvodnja metalnih odljevaka, Hrvatsko udruženje za ljevarstvo, Zagreb, 2008.

12. F. Unkić, Z. Glavaš, Osnove lijevanja metala, Zbirka riješenih zadataka, Metalurški fakultet Sisak, Sisak, 2009.