Odpowiedzi.doc

1. Klasyfikacja stopów i metod ich odlewania do form nietrwałych i trwałych.

Podział stopów odlewniczych:
Jednymi z najistotniejszych czynników stawianych tworzywom odlewniczym obok określonych właściwości eksploatacyjnych są  odpowiednie właściwości technologiczne, zwłaszcza zdolność do płynięcia oraz wypełniania wnęki formy. Z tego powodu większość tworzyw odlewniczych to stopy eutektyczne lub okołoeutektyczne, bowiem one charakteryzują się najlepszą lejnością. Tworzywa możemy podzielić na stopy żelaza oraz metali nieżelaznych, nazywane czasem niewłaściwie stopami metali kolorowych. Wśród tych ostatnich wyodrębnia się stopy metali lekkich, a więc stopy Mg, Al i Ti oraz stopy metali ciężkich takich jak Cu, Ni, Co, Zn, Pb. Udział metali nieżelaznych jest stosunkowo mały w porównaniu do stopów żelaza, jednak ich znaczenie rośnie. Innym powodem tego jest zmniejszania masy odlewów ze stopów Fe, wynikające z coraz lepszych właściwości mechanicznych tych stopów.

2. Klasyfikacja i charakterystyki głównych materiałów do wytwarzania piaskowych form i rdzeni odlewniczych.

Materiały formierskie służą - po odpowiedniej przeróbce - do wykonywania form i rdzeni. Dzielą się na główne i pomocnicze. Masą formierską lub rdzeniową nazywa się mieszaninę głównych i pomocniczych materiałów formierskich  z wodą, dobranych w odpowiednich proporcjach i odpowiednio przygotowanych. Główne materiały formierskie to:
-piaski formierskie - niektóre z sypkich i luźnych skał osadowych, składające się głównie z ziarn kwarcu o nieregularnych kształtach, gdzie zawartość osnowy ziarnowej wynosi minimum 65% ciężaru. W piaskach  tych może występować naturalne lepiszcze mineralne - w ilości  do  35%. Poza piaskami formierskimi mogą być stosowane inne minerały charakteryzujące się wysoką ognioodpornością oraz posiadające mniejszą rozszerzalność cieplną jak np. korund naturalny i  sztuczny, mulit, szamot, magnezyt, chromit, silimanit i cyrkon.
-gliny formierskie zawierające powyżej 50% lepiszcza.
Pomocniczym materiałem formierskim zazwyczaj są różnego rodzaju spoiwa pochodzenia organicznego i nieorganicznego, służące do  spajania ze sobą luźnych ziaren piasku, jak: oleje  roślinne, kalafonia, dekstryna, melasa, szkło wodne,  żywice syntetyczne i w coraz większym zakresie  żywice szybkoutwardzalne na zimno i na gorąco. Do pomocniczych materiałów zaliczamy również materiały chroniące masę przed przypaleniem się jej do powierzchni odlewu (grafit, pył węglowy, węgiel drzewny), materiały zwiększające przepuszczalność (torf, trociny), pudry formierskie (likopodium, talk).

3.Trendy w odlewnictwie światowym. Najważniejsze  stopy odlewana dla potrzeb budowy maszyn w powiązaniu z technologiami ich odlewania.

Udział stopów metali nieżelaznych stopniowo wzrasta. A jest to związane z coraz większymi wymaganiami stawianymi stopom żelaza, a także tym, że następuje tendencja do  zmniejszenia masy odlewów ze stopów Fe, wynikające z coraz lepszych właściwości tych stopów. Jest to efekt dążenia do zmniejszania masy konstrukcji przy jednocześnie wzrastających wymaganiach dla tworzyw. Żeliwo wciąż pozostaje najczęściej odlewanym tworzywem ze względu na dobre właściwości odlewnicze (lejność) a także na niski koszt wytworzenia.  Np. około 2/3 wszystkich odlewów aluminium wykonywane jest w produkcji samochodowej.
Rozkład sprzedaży odlewów wg. użytkowników końcowych:
-32% konstrukcje ciężkie
- 27% ogólne konstrukcje
-18% kopalnie
- 8% kamieniołomy
-15% pozostałe
Największymi producentami odlewów w Europie są Niemcy(1/3 odlewów), Włochy, Francja, Hiszpania.
Z żeliwa stopowego i szarego najczęściej wykonuje się odlewy metodami:
-formowanie ręczne 30%
- formowanie w liniach automatycznych 23%
-odlewanie odśrodkowe 19%
- formowanie maszynowe 16%
-odlewanie kokilowe 10%

4.Materiały stosowane do wytwarzania form trwałych (kokilowych).

Kokile wykonuje się najczęściej z żeliwa szarego. Jednak do wytwarzania tych form stosujemy również stale stopowe, konstrukcyjne, stopy  aluminium z powierzchnią anodowaną ( pokrytą warstwą Al2O3 na  powierzchni roboczej ). Kokile wykonywane z żeliwa wykonuje się jako konstrukcje skrzynkowe starając się zachować równomierna grubość ścian. Niewielkie kokile wykonuje się z bloku materiału, najczęściej stali konstrukcyjnej. Rdzenie kokilowe powinny być metalowe, wprowadzanie rdzeni piaskowych komplikuje proces krzepnięcia i powoduje spowolnienie krzepnięcia. Wnęka kokili pokrywana jest cienka warstwą powłoki izolującej, pokrycia tego typu składają się z rozdrobnionego materiały ogniotrwałego np. tlenków metali lub krzemianów (tzw. pokrycia białe o małym współczynniku przewodzenia ciepła) lub z grafitu (pokrycia czarne lepiej przewodzące).

5.Zalety i wady odlewania grawitacyjnego kokilowego oraz odlewania nisko- i wysokociśnieniowego.
Odlewanie kokilowe grawitacyjne polega na wykonywaniu odlewów    poprzez zalanie ciekłym metalem form metalowych zwanych kokilami. Kokile są formami wielokrotnego użytku.

•Zastosowanie do produkcji seryjnej, wielkoseryjnej i masowej odlewów średnich i małych, przede wszystkim ze stopów metali nieżelaznych, w mniejszym zakresie z żeliwa.
Odlewanie kokilowe grawitacyjne

•Kokila odtwarza kształt zewnętrzny odlewu.

•Kształt wewnętrzny odlewu odtwarzają rdzenie stalowe lub wykonane z mas rdzeniowych.

Zalety odlewania kokilowego grawitacyjnego:

-duża dokładność stałość wymiarowa odlewów,

-dobra gładkość czystość powierzchni odlewów,

-możliwość uzyskania cienkich ścianek odlewów,

-duża wydajność procesu,

-wyeliminowanie skrzynek formierskich, ich składowanie i transport,

-łatwa mechanizacja i automatyzacja procesu.

Wady odlewania kokilowego grawitacyjnego:

-ograniczone zastosowanie do odlewania niektórych stopów zwłaszcza żelaza,

-ograniczony kształt i wielkość odlewu,

-wysoki koszt kokili.

Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem

•Odlewanie kokilowe pod niskim ciśnieniem –forma wypełniana jest pod niewielkim ciśnieniem lub podciśnieniem zwykle nie przekraczającym 0,2 MN/m2, najczęściej poniżej 0,1 MN/m2.

•Zastosowanie tylko do odlewania stopów metali nieżelaznych.

•Zalety procesu:

-zmniejszenie lub wyeliminowanie nadlewów, gdyż odlew w czasie krzepnięcia połączony jest z ciekłym metalem w piecu,

-lepsze niż przy odlewaniu kokilowym grawitacyjnym wypełnienie formy,

-lepsza lejność metalu wskutek wyższej temperatury,

-łatwiejsza mechanizacja i automatyzacja procesu.

•Wady:

-wysokie koszty urządzenia, gdyż kokila związana jest z jednym piecem,

-wyższe koszty eksploatacji (droga instalacja ciśnieniowa, konieczność częstej wymiany rur wlewowych).

Odlewanie kokilowe ciśnieniowe

•Odlewanie pod ciśnieniem nazywane również odlewaniem ciśnieniowym jest rozwinięciem odlewania kokilowego i polega na wprowadzeniu do formy metalu na który wywarte jest ciśnienie 2,0 –350 MN/m2.

•Zastosowanie –masowa produkcja odlewów małych i średnich (od kilku gramów do ok. 50 kg), o dowolnym kształcie i bardzo dużych dokładnościach wymiarowych oraz o cienkich ściankach.

Najczęściej stosowane jest do odlewania stopów miedzi, ołowiu, aluminium, cyny i cynku.

Zalety odlewania ciśnieniowego:

-bardzo duża dokładność wymiarowa,

-bardzo mała chropowatość,

-możliwość uzyskiwania odlewów o bardzo cienkich ściankach,

-bardzo duże ograniczenie lub wyeliminowanie obróbki skrawaniem,

-lepsze własności mechaniczne, chemiczne i fizyczne odlewów,

-mniejszy ciężar surowych odlewów,

-bardzo duża wydajność.

Wady odlewania ciśnieniowego:

-wysoki koszt maszyn i oprzyrządowania,

-długi czas przygotowania produkcji,

-ograniczona wielkość i masa odlewów,

-trudności w odlewaniu odlewów o grubszych ściankach (może wystąpić porowatość),

-ograniczenie zastosowania do niektórych stopów (głównie stopów cynku, aluminium, magnezu).

6.Schemat i opis cyklu wytwarzania odlewów w formach skorupowych (proces Croninga).

Istnieją dwie odmiany wykonywania form skorupowych: C (Croninga) i D (Dieterta). W metodzie C grubość skorupy zależy od czasu przetrzymania masy formierskiej na podgrzanej płycie modelowej, na której jest umieszczony zbiornik z masą. W metodzie D grubość skorupy jest ściśle uzależniona od przestrzeni między płytą modelową a profilowaną podkładką między które jest wdmuchiwany bądź wstrzeliwany piasek otaczany.

Zastosowanie do produkcji seryjnej i masowej form i rdzeni odlewów małych i średnich o wysokich wymaganiach wymiarowych i dobrej gładkości powierzchni. Masa formierska:
- czysty, płukany i drobnoziarnisty piasek kwarcowy,
- 4 – 8% sproszkowanej nowolakowej żywicy fenolowej,
- 10 – 12% w stosunku do żywicy urotropiny jako utwardzacza,
- 0,1% nafty jako środka powodującego lepsze rozprowadzenie żywicy.
Masa formierska jest mieszaniną, której utwardzenie w normalnych warunkach nie zachodzi. Proces wiązania rozpoczyna się pod działaniem temperatury.

Etapy wykonywania form skorupowych:
- oczyszczenie płyty modelowej i pokrycie jej oddzielaczem (np. olejem silikonowym,
- podgrzanie elektrycznie lub gazowo płyty modelowej do temperatury 220 –300 C,
- obrót płyty modelowej o 180 i połączenie ze zbiornikiem z masą skorupową,
- obrót płyty modelowej ze zbiornikiem do pierwotnego położenia i przetrzymanie  przez okres 6 – 25 s - powstanie skorupy,
- ponowny obrót o 1800 - masa opada, odłączenie zbiornika z masą,
- utwardzanie skorupy w temperaturze 300 – 4000 C przez 1 – 3min,
-zdjęcie skorupy i klejenie połówek form skorupowych za pomocą klejów żywicznych
- zalewanie form.

Zaletą odlewania do form skorupowych jest duża gładkość powierzchni i dokładność wymiarowa, możliwość wykonania odlewów cienkościennych oraz zmniejszenie braków wskutek stabilizacji procesu. Wadą natomiast jest duży koszt piasku otaczanego i problemy z utylizacją masy. Metodą formowania skorupowego otrzymuje się również rdzenie wewnątrz puste.

7. Proces wytwarzania odlewów metodą wytapianych modeli.

Jedna z najstarszych metod odlewania. Polega na wykonaniu modelu z substancji łatwotopliwej, którą pokrywa się warstwą ceramiczną. Następnie model wytapia się, skorupę wypala się i zalewa ciekłym metalem.Zastosowanie do produkcji seryjnej i wielkoseryjnej bardzo drobnych i drobnych odlewów o najwyższej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni (przemysł precyzyjny, zbrojeniowy, narzędziowy, motoryzacyjny, maszynowy, artystyczny, jubilerski itp.)
Masa modelowa:
- mieszanina parafiny, stearyny, cerezyny, kalafoni, wosku pszczelego itp.
Modele odlewu i układu wlewowego wykonuje się najczęściej w  matrycach metalowych, rzadziej gumowych, cementowych lub gipsowych.
Masa ceramiczna:
- sproszkowana mączka kwarcowa lub cyrkonowa, szamotowa, mulit, sylimanit itp..
- spoiwa – roztwory na bazie krzemianu etylu lub zolu kwasu krzemowego, a przy mniejszych wymaganiach szkło wodne.
-rozpuszczalniki i inne materiały: spirytus etylowy, aceton, hydrazyt, kwas solny, woda destylowana.

Operacje procesu odlewania metodą modeli wytapianych
- wykonanie modeli odlewów i układu wlewowego,
- montaż modeli na wlewie głównym,
- tworzenie powłoki ceramicznej poprzez kilkakrotne zanurzanie zestawu modelowego w płynnej masie ogniotrwałej i obsypywanie piaskiem kwarcowym,
- tworzenie powłoki samonośnej, lub umieszczanie w skrzynkach formierskich,
- wytapianie modeli  (może odbywać się w urządzeniach wannowych, bębnowych lub komorowych z wykorzystaniem gorącego powietrza lub pary wodnej,
- w razie potrzeby dodatkowe wypalanie formy w piecach komorowych w temperaturze 850 – 9000C,
- zalewanie ciekłym metalem,
- wybijanie odlewów z formy,
- odcinanie odlewów od wlewu głównego,
- czyszczenie i wykańczanie odlewów.

Zalety procesu:
- uzyskiwanie największych dokładności wymiarowych i gładkości powierzchni,
- zastępowanie drogich odkuwek i obróbki skrawaniem poprzez wykonanie odlewów precyzyjnych,
-możliwość uzyskania odlewów o bardzo złożonych kształtach, niemożliwych do wykonania innymi metodami,
-możliwość wykonania odlewu z dowolnego stopu (w produkcji seryjnej i wielkoseryjnej stosowana najczęściej do staliw , zwłaszcza stopowych, rzadziej żeliw i stopów miedzi, a wyjątkowo do stopów aluminium),
-można uzyskiwać odlewy cienkościenne.

Wady procesu:
- proces trudny do mechanizacji i automatyzacji,
- ograniczona masa odlewu, zasadniczo do 1 – 2 kg, wyjątkowo do 10 kg.

8. Wykresy równowagowe: żelazo-węgiel i aluminium-krzem.

Siluminy a więc odlewniczy stop aluminium z krzemem jest bardzo popularnym materiałem odlewniczym. Krzem ma zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne. Stopy te oznacza się literami AK oraz cyfra oznaczającą średnią zawartość krzemu. Zależnie od jego zawartości wyróżnia się:
-siluminy podeutektyczne 4-10%S
-siluminy okołoeutektyczne 10-13%S
-siluminy nadeutektyczne powyżej 13%S
Siluminy okołoeutektyczne mają doskonałe właściwości odlewnicze oraz dobre właściwości mechaniczne(można je zwiększyć wskutek umacniania wydzieleniowego). Pozostałe siluminy mają gruboziarnistą eutektykę, a nadeutektyczne duże wydzielenia krzemu pierwotnego w postaci igieł. Można to zmienić przez modyfikację sodem dla pod- a fosforem dla stopów nadeutektycznych.
Siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące znaczną żarowytrzymałość są stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Ze stopów podeutektycznych wytwarza się silnie obciążone elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej. Wieloskładnikowe stopy Al zSi są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych oraz inne odlewy w przemyśle maszynowym.

Rozróżnia się dwa wykresy równowagi układu żelazo- węgiel:
stabilny żelazo- grafit,
metastabilny żelazo- cementyt.
W zależności od składu chemicznego, warunków odprowadzania ciepła, a także innych czynników, z roztworu ciekłego może krzepnąć zarówno cementyt, jak i grafit.

Przemiany :
-Przemiana perytektyczna
zachodz w temp. 1495ºC, jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α → β
-Przemiana eutektyczna
Przemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Zachodzi w temp. 1148ºC.Przemiana eutektyczna jest przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy stałe jednocześnie.
-Przemiana eutektoidalna
Zachodzi w temp. 727ºC, jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β

9. Schematy typowych układów wlewowych w odlewaniu do form nietrwałych i trwałych i funkcje spełniane przez poszczególne elementy układu wlewowego.

Forma jest wypełniana metalem poprzez system kanałów zwany układem wlewowym. Funkcje układu wlewowego:
- usuwanie żużla i wtrąceń niemetalicznych z ciekłego metalu,
- zapewnienie spokojnego wypełniania formy,
- oddziaływanie na przebieg krzepnięcia metalu.

Kształt układu zależy od rodzaju formy odlewniczej oraz materiały odlewu. Zbiornik wlewowy jest elementem układu wlewowego, do którego jest wlewany metal z kadzi lub z innego urządzenia zawierającego metal pobrany z pieca. Ze zbiornika metal przepływa kanałem o najczęściej okrągłym przekroju, zwanym wlewem głównym, docierając na poziom, w którym umieszczone są dalsze elementy układu. W niektórych rozwiązaniach bezpośrednio pod wlewem głównym umieszcza się niewielkie rozszerzenie zwane podstawą wlewu głównego. W celu doprowadzenie ciekłego metalu od wlewu głównego w pobliże odlewu wykonuje się wlew rozprowadzający. Kanał ten może mieć kilka rozgałęzień lub może być kilka wlewów rozprowadzających. Kanał ten zatrzymuje tlenki i zanieczyszczenia płynące na czole strugi metalu(dawna nazwa belka żużlowa). Kanały doprowadzające metal do wnęki odwzorowującej kształt odlewu to wlewy doprowadzające. Aby zasilić odlew w miejscach narażonych na powstawanie wewnętrznych wad stosuje się nadlewy. Są to dodatkowe elementy odlewu które odcina się lub odłamuje po usunięciu odlewu z formy. 

                                                                                                  Przykładowy układ do odlewania aluminium              Układ do odlewania staliwa
 

10. Zasady projektowania układów wlewowych. Układy otwarte i zamknięte. Rodzaje i rola filtrów w układzie wlewowym.

Prawidłowe działanie układu wlewowego zależy od poprawności konstrukcji układu i poszczególnych jego elementów. Wymiary elementów układu wlewowego zależą od wielkości wytwarzanego odlewu, gabarytów i materiału formy, sposobu odlewania, stanu fizycznego formy w momencie zalewania jej ciekłym metalem, rodzaju odlewanego tworzywa itp. Obliczanie wymiarów elementów układu wlewowego polega na:
-obliczeniu optymalnego czasu zalewania formy ciekłym metalem,
-sprawdzeniu prędkości podnoszenia się poziomu ciekłego metalu w formie,
-obliczeniu minimalnego przekroju poprzecznego układu wlewowego zapewniającego zalanie formy w optymalnym czasie,
- ustaleniu wielkości przekrojów poprzecznych pozostałych elementów układu wlewowego.
Ze względu na zdolność do usuwania żużla i wtrąceń niemetalicznych z metalu oraz sposobu wypełnienia formy, układy wlewowe dzieli się na zamknięte i otwarte.

Układ zamknięty – najmniejszy przekrój ma wlew doprowadzający (przy odlewie), powoduje to, że układ wlewowy jest podczas zalewania odlewu stale wypełniony ciekłym metalem. Żużel i wtrącenia niemetaliczne , mogą unosić się na powierzchni zbiornika wlewowego, a także zbierać się pod sklepieniem belki żużlowej. Ciekły metal, pobierany ze zbiornika wlewowego i z dalszej części belki żużlowej, jest wolny od tych zanieczyszczeń. Wadą tego rodzaju układu wlewowego jest burzliwe wypełnienie wnęki formy, które może powodować powstawanie wad odlewów, spowodowane rozrywaniem warstwy tlenków, tworzącej się na powierzchni niektórych stopów odlewniczych.

Układ otwarty – przekrój kanałów zwiększa się w kierunku wnęki formy. Zapewnia to spokojne wypełnienie wnęki formy; (nie występuje jednak efekt odżużlenia metalu). Metal po minięciu przekroju minimalnego płynie często nie wypełniając całego przekroju kanału, stąd nazwa układ otwarty.  Układy takie są droższe gdyż zwiększa się masa układu wlewowego a zmniejsza uzysk odlewniczy. Są opłacalne przy większej ilości odlewów w jednej formie. Układ ten stosowany jest w przypadku metali lekkich łatwo utleniających się i o niższej temperaturze odlewania np. aluminium.

Filtry maja zazwyczaj kształt porowatych płytek kwadratowych , o grubości od kilkunastu do dwudziestu kilku milimetrów, wykonanych z żaroodpornego materiału ceramicznego. Stosowane są dwa typy kanalików:
-prostoliniowe o jednakowym przekroju na całej długości kanalika, czyli grubości filtra
-o kształtach nieregularnych, tworzących gąbczastą strukturę materiału filtra(jest on uznawany za skuteczniejszy)
Ich zadaniem jest zatrzymywanie zanieczyszczeń, które niesie ciekły metal płynący przez układ wlewowy. Umieszcza się je najczęściej we wlewie rozprowadzającym. Filtry mogą też uspokajać przepływ metalu zmieniając jego charakter na laminarny. Filtry upraszczają też wykonanie formy co ma korzyści ekonomiczne.

11. Strefy struktur w odlewie(wlewku) z opisem charakteru ich powstawania i oddziaływania na lokalne właściwości mechaniczne.

W odlewie tworzą się 3  strefy: kryształy zamrożone, kryształy kolumnowe oraz kryształy jednoosiowe.

W miejscu bezpośredniego styku metalu z formą odlewniczą tworzą się kryształy zamrożone. Składają się z równoosiowych małych kryształów o przypadkowej orientacji krystalograficznej. Tworzą one tzw. naskórek odlewniczy.
W zależności od warunków odprowadzania ciepła krystalizacja może przebiegać objętościowo lub kierunkowo. Krystalizacja kierunkowa inaczej strefowa polega na przemieszczaniu ciągłego frontu krystalizacji z jednego punktu do drugiego. W jej wyniku powstają kryształy wydłużone w jednym kierunku, zgodnym z kierunkiem odprowadzania ciepła, zwane kryształami słupkowymi.  Podczas krystalizacji objętościowej powstają kryształy w różnych miejscach kąpieli, budując nieciągły front krystalizacji. Powstają kryształy równoosiowe o kształcie zbliżonym do kulistego.  W przypadku kryształów równoosiowych kierunek odprowadzenia ciepła jest zgodny z kierunkiem wzrostu kryształów, dla kryształów słupkowych natomiast przeciwny. Ukształtowanie kryształów zależy także od składu chemicznego stopu. W kryształach słupkowych powstają typy morfologii:
-kryształy komórkowe w metalach czystych
-kryształy dendrytyczne w stopach tworzących roztwory stałe ( w postaci przypominającej drzewo)
W kryształach równoosiowych możliwe są dwa typy:
-dendrytyczny – w metalach czystych i stopach tworzących roztwory stałe
-eutektyczny- w stopach o składzie eutektycznym.
Kryształy słupkowe wyrastają z naskórka w głąb cieczy, a kryształy równoosiowe występują w głębi odlewu.

Schemat struktury wlewka stalowego; a) l — strefa kryształów zamrożonych; 2 — strefa kryształów słupkowych; 3 — strefa kryształów równoosiowych c) przekrój prostopadły do osi wlewka

12. Mechanizmy skurczowe. Skurcz zasilania i skurcz odlewniczy.

Skurczem nazywamy zmiany zachodzące podczas ochładzania odlewu w formie, przy czym zmniejszanie się objętości jest uważane za sk...