Odlévání (kovoobrábění) - Casting (metalworking)
v obrábění kovů a výroba šperků, odlévání je proces, při kterém se tekutý kov nějakým způsobem dodává do plíseň (obvykle o kelímek ), který obsahuje negativní dojem (tj. trojrozměrný negativní obrázek) zamýšleného tvaru. Kov se nalije do formy dutým kanálem zvaným a sprue. Kov a forma se poté ochladí a kovová část ( odlévání) se extrahuje. Casting se nejčastěji používá k vytváření složitých tvarů, které by bylo obtížné nebo neekonomické provést jinými metodami.[1]
Procesy lití jsou známy již tisíce let a jsou široce používány sochařství (speciálně v bronz ), šperky v drahé kovy a zbraně a nástroje. Mezi tradiční techniky patří odlévání ztraceného vosku (které lze dále rozdělit na odstředivé lití, a vakuové pomocné přímé nalévání casting), odlévání sádrových forem a lití do písku.
Moderní proces odlévání je rozdělen do dvou hlavních kategorií: odlévatelné a nepotřebné odlévání. Dále se štěpí materiálem formy, jako je písek nebo kov, a metodou lití, jako je gravitace, vakuum nebo nízký tlak.[2]
Ohebné lití do formy
Očekávané odlévání forem je obecná klasifikace, která zahrnuje výlisky z písku, plastu, skořápky, omítky a investice (technika ztraceného vosku). Tato metoda odlévání forem zahrnuje použití dočasných, opakovaně nepoužitelných forem.
Lití do písku
Lití do písku je jedním z nejpopulárnějších a nejjednodušších typů lití a používá se po staletí. Lití do písku umožňuje menší dávky než trvalé lití do forem a za velmi rozumnou cenu. Tato metoda nejen umožňuje výrobcům vytvářet produkty za nízkou cenu, ale odlévání do písku má i další výhody, například operace velmi malých rozměrů. Tento proces umožňuje, aby odlitky byly dostatečně malé, aby se vešly v dlani na dostatečně velké odlitky pouze pro vlakové postele (jeden odlitek může vytvořit celé lůžko pro jeden železniční vůz). Lití do písku také umožňuje odlévat většinu kovů v závislosti na typu písku použitého pro formy.[3]
Lití do písku vyžaduje dobu výroby několik dní, někdy i týdnů, pro výrobu při vysokých výkonech (1–20 kusů / h formy) a je nepřekonatelná pro výrobu velkých dílů. Zelený (vlhký) písek, který má černou barvu, nemá téměř žádný hmotnostní limit části, zatímco suchý písek má praktický hmotnostní limit části 2 300–2 700 kg (5 100–6 000 lb). Minimální hmotnost dílu se pohybuje od 0,075–0,1 kg (0,17–0,22 lb). Písek je spojen pomocí jílů, chemických pojiv nebo polymerovaných olejů (například motorového oleje). Písek lze ve většině operací mnohokrát recyklovat a vyžaduje malou údržbu.
Hliněné výlisky
Z hlíny se vyrábí velké symetrické předměty, jako jsou děla a kostelní zvony. Hlína je směs jílu a písku se slámou nebo trusem. Model vyrobeného produktu je vytvořen v drobivém materiálu (chemise). Plíseň se tvoří kolem této košile zakrytím hlínou. To se pak upeče (vypálí) a košile se odstraní. Forma se potom postaví ve svislé poloze do jámy před pecí pro nalití kovu. Poté se forma odlomí. Formy lze tedy použít pouze jednou, takže pro většinu účelů jsou preferovány jiné metody.
Odlévání sádrových forem
Sádrový odlitek je podobný odlévání do písku, kromě toho sádra v Paříži se místo písku používá jako formovací materiál. Příprava formy obvykle trvá méně než týden, poté se dosáhne rychlosti výroby 1–10 jednotek / h formy, u předmětů s hmotností až 45 kg (99 lb) a hmotností až 30 g (1 oz) s velmi dobrým povrchová úprava a zavřít tolerance.[4] Sádrový odlitek je levnou alternativou k jiným formovacím procesům pro složité součásti kvůli nízkým nákladům na sádru a její schopnosti vyrábět téměř čistý tvar odlitky. Největší nevýhodou je, že jej lze použít pouze s neželeznými materiály s nízkou teplotou tání, jako je hliník, měď, hořčík a zinek.[5]
Formování skořápky
Formování skořápky je podobné lití do písku, ale formovací dutina je vytvořena kalenou „skořápkou“ písku namísto baňky naplněné pískem. Použitý písek je jemnější než písek na odlévání písku a je smíchán s pryskyřicí, aby mohl být zahříván vzorem a vytvrzován do skořápky kolem vzoru. Díky pryskyřici a jemnějšímu písku poskytuje mnohem jemnější povrchovou úpravu. Proces je snadno automatizovaný a přesnější než lití do písku. Mezi běžné odlévané kovy patří litina, slitiny hliníku, hořčíku a mědi. Tento proces je ideální pro složité položky, které jsou malé až střední.
Investiční casting
Investiční casting (známý jako odlévání ztraceného vosku v umění) je proces, který se praktikuje tisíce let, přičemž proces ztraceného vosku je jednou z nejstarších známých technik tváření kovů. Před 5000 lety, kdy včelí vosk Díky dnešním špičkovým technologickým voskům, žáruvzdorným materiálům a speciálním slitinám odlitky zajišťují výrobu vysoce kvalitních komponent s hlavními výhodami přesnosti, opakovatelnosti, všestrannosti a integrity.
Investiční lití odvozuje svůj název od skutečnosti, že model je investován nebo obklopen žáruvzdorným materiálem. Voskové vzory vyžadují mimořádnou péči, protože nejsou dostatečně silné, aby odolaly silám, které se vyskytly během výroby formy. Jednou z výhod odlévání je, že vosk lze znovu použít.[4]
Tento proces je vhodný pro opakovatelnou výrobu komponentů síťového tvaru z různých kovů a vysoce výkonných slitin. Ačkoli se obecně používá pro malé odlitky, tento proces se používá k výrobě kompletních zárubní dveří letadel s ocel odlitky do 300 kg a hliník odlitky do 30 kg. Ve srovnání s jinými procesy odlévání, jako je lití pod tlakem nebo lití do písku, může to být nákladný proces. Avšak součásti, které lze vyrobit pomocí odlévání, mohou mít složité obrysy a ve většině případů jsou součásti odlévány v blízkosti síťového tvaru, takže po odlití vyžadují malé nebo žádné přepracování.
Odpad formování sádry
Trvanlivý omítkový meziprodukt se často používá jako pódium k výrobě bronzové plastiky nebo jako ukazovací vodítko pro vytvoření vyřezávaného kamene. Po dokončení omítky je práce odolnější (pokud je skladována v interiéru) než hliněný originál, který musí být udržován vlhký, aby nedošlo k prasknutí. S nízkou cenou omítky po ruce, drahá práce bronz odlévání nebo řezbářství kamene může být odloženo, dokud se nenajde čtenář, a protože je taková práce považována spíše za technický než umělecký proces, může být odložena i po dobu životnosti umělce.
Při formování odpadu se na původní hliněnou směs odlévá jednoduchá a tenká sádrová forma vyztužená sisalem nebo pytlovinou. Po vytvrzení je poté odstraněn z vlhké hlíny, což mimochodem zničí jemné detaily v podříznutích přítomných v hlíně, ale které jsou nyní zachyceny ve formě. Formu lze poté kdykoli (ale pouze jednou) použít k odlití sádrového pozitivního obrazu, identického s původní hlínou. Povrch této omítky může být dále rafinován a může být natřen a voskován, aby se podobal hotovému bronzovému odlitku.
Odlévání odpařovacím vzorem
Jedná se o třídu odlévacích procesů, při nichž se používají vzorové materiály, které se odpařují během lití, což znamená, že není nutné vzorový materiál před litím odstraňovat z formy. Dva hlavní procesy jsou odlévání ztracené pěny a odlévání plnou formou.
Odlévání ztracené pěny
Odlévání ztracené pěny je typ procesu odlévání odpařovacím vzorem, který je podobný odlévání s investicí, s výjimkou toho, že se pro vzor místo vosku používá pěna. Tento proces využívá nízké hodnoty bod varu pěny pro zjednodušení procesu odlévání investic odstraněním nutnosti roztavit vosk z formy.
Plné lití formy
Plné lití je proces lití odpařováním, který je kombinací lití do písku a odlévání ztracené pěny. Využívá expandovaný polystyren pěnový vzor, který je poté obklopen pískem, podobně jako lití do písku. Kov se poté nalije přímo do formy, která při kontaktu odpařuje pěnu.
Neodstranitelné lití forem
Nevyčerpatelné lití do formy se liší od spotřebních procesů v tom, že forma nemusí být po každém výrobním cyklu reformována. Tato technika zahrnuje nejméně čtyři různé metody: permanentní, die, odstředivé a kontinuální lití. Tato forma lití také vede ke zlepšení opakovatelnosti vyráběných a dodávaných dílů Blízko tvaru sítě Výsledek.
Trvalé lití do formy
Trvalé odlévání forem je a lití kovů proces, který využívá opakovaně použitelné formy ("trvalé formy"), obvykle vyrobené z kov. Nejběžnější proces využívá gravitaci k vyplnění formy. Tlak plynu nebo a vakuum jsou také používány. Variace na typický proces gravitačního lití, tzv odlévání rozbředlého sněhu, vyrábí duté odlitky. Běžné odlévání kovů je hliník, hořčík, a měď slitiny. Mezi další materiály patří cín, zinek, a Vést slitiny a žehlička a ocel se také odlévá grafit formy. Trvalé formy, které vydrží více než jeden odlitek, mají před opotřebením ještě omezenou životnost.
Lití pod tlakem
Proces lití pod tlakem je roztavený kov pod vysokým tlakem do dutin forem (které se obrábějí do matric). Většina tlakových odlitků je vyrobena z neželezné kovy konkrétně zinek, slitiny mědi a hliníku, ale železitý kov odlitky jsou možné. Metoda tlakového lití je obzvláště vhodná pro aplikace, kde je zapotřebí mnoho malých až středně velkých dílů s dobrými detaily, jemnou kvalitou povrchu a rozměrovou konzistencí.
Polotuhý kovový odlitek
Odlévání polotuhého kovu (SSM) je modifikovaný proces lití pod tlakem, který snižuje nebo eliminuje zbytkovou pórovitost přítomnou ve většině tlakových odlitků. Spíše než použití tekutého kovu jako vstupního materiálu používá SSM odlévání vstupního materiálu s vyšší viskozitou, který je částečně pevný a částečně kapalný. Modifikovaný tlakový licí stroj se používá ke vstřikování polotuhé kaše do opakovaně použitelných forem z kalené oceli. Vysoká viskozita polotuhého kovu spolu s použitím podmínek řízeného plnění matrice zajišťuje, že polotuhý kov vyplní matrici neturbulentním způsobem, takže lze v podstatě vyloučit škodlivou pórovitost.
Odlitky SSM, které se komerčně používají hlavně pro slitiny hliníku a hořčíku, lze tepelně zpracovat na temperování T4, T5 nebo T6. Kombinace tepelného zpracování, rychlých rychlostí ochlazování (z použití nepotahovaných ocelových matric) a minimální pórovitosti poskytuje vynikající kombinace pevnosti a tažnosti. Mezi další výhody lití SSM patří schopnost vyrábět síťové tvary složitých tvarových dílů, tlaková těsnost, těsné rozměrové tolerance a schopnost lití tenkých stěn.[6]
Odstředivé lití
V tomto procesu se roztavený kov nalije do formy a nechá se ztuhnout, zatímco se forma otáčí. Kov se nalije do středu formy v její ose otáčení. V důsledku setrvačné síly je tekutý kov vymrštěn směrem k obvodu.
Odstředivé lití je nezávislé na gravitaci i tlaku, protože vytváří vlastní přísun síly pomocí dočasné pískové formy držené ve spřádací komoře. Dodací lhůta se liší podle aplikace. Částečné a skutečné odstředivé zpracování umožňuje výrobu formy s rychlostí 30–50 kusů za hodinu, s praktickým limitem pro dávkové zpracování celkové hmotnosti přibližně 9 000 kg s typickým limitem na kus 2,3–4,5 kg.
Průmyslově bylo odstředivé lití železničních kol časnou aplikací metody vyvinuté Němec průmyslová společnost Krupp a tato schopnost umožnila rychlý růst podniku.
Malá umělecká díla, jako jsou šperky, se často odlévají touto metodou pomocí procesu ztraceného vosku, protože síly umožňují, aby viskózní tekuté kovy proudily velmi malými průchody a do jemných detailů, jako jsou listy a lístky. Tento efekt je podobný výhodám vakuového lití, které se také používá při lití šperků.
Kontinuální lití
Kontinuální lití je zdokonalením procesu lití pro kontinuální velkoobjemovou výrobu kovových profilů s konstantním průřezem. Roztavený kov se nalije do vodou chlazené formy s otevřeným koncem, což umožňuje vytvoření „slupky“ pevného kovu nad stále kapalným středem a postupné tuhnutí kovu zvenčí dovnitř. Po ztuhnutí se pramen, jak se někdy nazývá, je nepřetržitě vytažen z formy. Předem stanovené délky pramene mohou být oříznuty buď mechanickými nůžkami nebo pohybujícími se oxyacetylenovými hořáky a přeneseny do dalších tvářecích procesů nebo do zásoby. Odlévané velikosti se mohou pohybovat od pásu (tloušťka několika milimetrů, šířka asi pět metrů), sochory (čtverec 90 až 160 mm) až po desky (šířka 1,25 m a tloušťka 230 mm). Někdy může vlákno projít iniciálou válcování za tepla před řezáním.
Kontinuální lití se používá kvůli nižším nákladům spojeným s kontinuální výrobou standardního produktu a také zvýšené kvalitě finálního produktu. Kovy, jako je ocel, měď, hliník a olovo, se kontinuálně odlévají, přičemž touto metodou je ocel kovem s největší tonáží.
Terminologie
Procesy lití kovů používají následující terminologii:[7]
- Vzor: Přibližný duplikát konečného odlitku použitého k vytvoření dutiny formy.
- Formovací materiál: Materiál, který je zabalen kolem vzoru a poté je vzorec odstraněn, aby opustil dutinu, kde bude nalit odlévací materiál.
- Baňka: Tuhý dřevěný nebo kovový rám, který drží formovací materiál.
- Jádro: Vložka ve formě, která vytváří vnitřní prvky v odlitku, například díry.
- Tisk jádra: Oblast přidaná k vzoru, jádru nebo formě použité k lokalizaci a podpoře jádra.
- Dutina formy: Kombinovaná otevřená plocha formovacího materiálu a jádra, kde je kov nalit za vzniku odlitku.
- Stoupačka: Extra dutina ve formě, která se plní roztaveným materiálem, aby se vyrovnalo smrštění během tuhnutí.
- Vtokový systém: Síť spojených kanálů, které dodávají roztavený materiál do dutin forem.
- Nalévací pohár nebo licí nádrž: Část vtokového systému, která přijímá roztavený materiál z licí nádoby.
- Sprue: Nalévací pohár se připevňuje k vtoku, který je svislou částí vtokového systému. Druhý konec vtoku se připevňuje k běžcům.
- Běžci: Vodorovná část vtokového systému, který spojuje vtokové kanály s branami.
- Brány: Řízené vstupy z běžců do dutin forem.
- Otvory: Další kanály, které poskytují únik pro plyny generované během nalití.
- Dělící čára nebo dělicí plocha: Rozhraní mezi polovinami pláště a přetažení formy, baňky nebo vzoru.
- Návrh: Zúžení odlitku nebo vzoru, které umožňuje jeho stažení z formy
- Krabice na jádro: Forma nebo forma používaná k výrobě jader.
- Chaplet: Dlouhá svislá přídržná tyč pro jádro, která se po odlití stane nedílnou součástí odlitku a poskytne podporu jádru.
Některé specializované procesy, například tlakové lití, používají další terminologii.
Teorie
Casting je tuhnutí proces, což znamená, že jev tuhnutí řídí většinu vlastností odlitku. Kromě toho se většina vad odlitků vyskytuje během tuhnutí, jako např pórovitost plynu a tuhnutí smršťování.[8]
K tuhnutí dochází ve dvou krocích: nukleace a růst krystalů. Ve fázi nukleace se v kapalině tvoří pevné částice. Když tyto částice tvoří jejich vnitřní energie je nižší než obklopená kapalina, která mezi nimi vytváří energetické rozhraní. Tvorba povrchu na tomto rozhraní vyžaduje energii, takže při nukleaci materiál skutečně podchlazuje, to znamená, že se ochlazuje pod svou teplotu tuhnutí, kvůli další energii potřebné k vytvoření povrchů rozhraní. Poté rekalcencuje nebo se ohřeje zpět na teplotu tuhnutí pro fázi růstu krystalů. Nukleace probíhá na již existujícím pevném povrchu, protože pro povrch částečného rozhraní není potřeba tolik energie, jako pro celý povrch sférického rozhraní. To může být výhodné, protože jemnozrnné odlitky mají lepší vlastnosti než hrubozrnné odlitky. Jemnozrnnou strukturu lze vyvolat zjemnění zrna nebo očkování, což je proces přidávání nečistot k vyvolání nukleace.[9]
Všechny nukleace představují krystal, který roste jako teplo fúze se extrahuje z kapaliny, dokud nezůstane žádná kapalina. Směr, rychlost a typ růstu lze řídit, aby se maximalizovaly vlastnosti odlitku. Směrové tuhnutí je, když materiál ztuhne na jednom konci a pokračuje v tuhnutí na druhém konci; toto je nejideálnější typ růstu zrna, protože umožňuje tekutému materiálu kompenzovat smrštění.[9]
Chladicí křivky
Chladicí křivky jsou důležité pro řízení kvality odlitku. Nejdůležitější částí chladicí křivky je rychlost chlazení který ovlivňuje mikrostrukturu a vlastnosti. Obecně řečeno, oblast odlitku, která je rychle ochlazována, bude mít jemnozrnnou strukturu a oblast, která se pomalu ochlazuje, bude mít hrubozrnnou strukturu. Níže je uveden příklad chladicí křivky z čistého kovu nebo eutektický slitina, s definující terminologií.[10]
Všimněte si, že před tepelnou zástavou je materiál kapalný a po něm je materiál pevnou látkou; během tepelné záchytu se materiál přeměňuje z kapaliny na pevnou látku. Všimněte si také, že čím větší je přehřátí, tím více času tekutému materiálu teče do složitých detailů.[11]
Výše uvedená chladicí křivka zobrazuje základní situaci s čistým kovem, nicméně většina odlitků je ze slitin, které mají chladicí křivku ve tvaru, jak je znázorněno níže.
Všimněte si, že již neexistuje tepelná ochrana, místo toho existuje rozsah mrazu. Rozsah tuhnutí odpovídá přímo likvidu a solidu nacházejícím se na fázový diagram pro konkrétní slitinu.
Chvorinovovo pravidlo
Místní čas tuhnutí lze vypočítat pomocí Chvorinovova pravidla, kterým je:
Kde t je doba tuhnutí, PROTI je objem odlitku, A je plocha povrchu odlitku, který kontaktuje plíseň, n je konstanta a B je konstanta formy. To je nejužitečnější při určování, zda stoupačka ztuhne před odléváním, protože pokud stoupačka nejprve ztuhne, pak je to bezcenné.[12]
Vratový systém
Vtokový systém slouží mnoha účelům, nejdůležitější je dopravování kapalného materiálu do formy, ale také ovládání smršťování, rychlosti kapaliny, turbulence a zachycování struska. Brány jsou obvykle připevněny k nejsilnější části odlitku, aby pomohly při řízení smršťování. Ve zvláště velkých odlitcích může být zapotřebí více bran nebo vtoků, aby se kov zavedl do více než jednoho bodu v dutině formy. Rychlost materiálu je důležitá, protože pokud se materiál pohybuje příliš pomalu, může se ochladit před úplným naplněním, což vede k chybným spuštěním a chladu. Pokud se materiál pohybuje příliš rychle, může kapalný materiál erodovat formu a kontaminovat konečný odlitek. Tvar a délka vtokového systému může také řídit, jak rychle se materiál ochladí; krátké kulaté nebo čtvercové kanály minimalizují tepelné ztráty.[13]
Vtokový systém může být navržen tak, aby minimalizoval turbulence v závislosti na odlévaném materiálu. Například ocel, litina a většina slitin mědi jsou turbulentně necitlivé, ale slitiny hliníku a hořčíku jsou turbulentně citlivé. Turbulentní necitlivé materiály mají obvykle krátký a otevřený hradlovací systém, který co nejrychleji naplní formu. U turbulentně citlivých materiálů se však používají krátké vtoky, aby se minimalizovala vzdálenost, kterou musí materiál při vstupu do formy klesnout. Obdélníkové licí kalíšky a zúžené trysky se používají k zabránění tvorby víru při toku materiálu do formy; tyto víry mají tendenci nasávat plyn a oxidy do formy. Velká vtoková jímka se používá k rozptýlení kinetické energie kapalného materiálu, když klesá po vtoku a snižuje turbulenci. The dávit se, což je nejmenší plocha průřezu vtokového systému používaného k řízení toku, lze umístit poblíž vtokové studny, aby se zpomalil a vyhladil tok. Uvědomte si, že u některých forem je sytič stále umístěn na branách, aby se usnadnilo oddělení dílu, ale vyvolává extrémní turbulence.[14] Brány jsou obvykle připevněny ke spodní části odlitku, aby se minimalizovaly turbulence a stříkající voda.[13]
Vtokový systém může být také navržen tak, aby zachytával strusku. Jedním ze způsobů je využití skutečnosti, že některá struska má nižší hustotu než základní materiál, takže se vznáší k horní části vtokového systému. Dlouhé ploché běžce s branami, které vycházejí ze spodní části běžců, proto mohou zachytit trosky v běžcích; Pamatujte, že dlouhé ploché běžce ochladí materiál rychleji než kulaté nebo hranaté běžce. U materiálů, kde má struska podobnou hustotu jako základní materiál, jako je hliník, rozšíření běžce a běžecké studny může být výhodné. Využívají výhody skutečnosti, že struska se obvykle nachází na začátku nalití, proto je běžec prodloužen za poslední bránu (brány) a nečistoty jsou obsaženy v jamkách. K zachycení nečistot lze použít také síta nebo filtry.[14]
Je důležité udržovat malou velikost vtokového systému, protože vše musí být z odlitku vyříznuto a přetaveno, aby bylo možné jej znovu použít. Účinnost, nebo výtěžek„odlévacího systému lze vypočítat vydělením hmotnosti odlitku hmotností nalitého kovu. Čím vyšší číslo, tím efektivnější je vtokový systém / stoupačky.[15]
Srážení
Existují tři typy smrštění: smrštění kapaliny, tuhnutí smršťování a smršťování vzorníků. Srážení kapaliny je zřídka problémem, protože do formy za ní proudí více materiálu. K tuhnutí dochází ke smršťování, protože kovy jsou méně husté jako kapalina než pevná látka, takže během tuhnutí se hustota kovů dramaticky zvyšuje. Smršťování modeláře se týká smrštění, ke kterému dochází, když je materiál ochlazen z teploty tuhnutí na teplotu místnosti, k němuž dochází v důsledku tepelná kontrakce.[16]
Tuhnutí smršťování
Kov | Procento |
---|---|
Hliník | 6.6 |
Měď | 4.9 |
Hořčík | 4.0 nebo 4.2 |
Zinek | 3,7 nebo 6,5 |
Nízkouhlíková ocel | 2.5–3.0 |
Vysoce uhlíková ocel | 4.0 |
Bílá litina | 4.0–5.5 |
Šedá litina | −2.5–1.6 |
Tvárná litina | −4.5–2.7 |
Většina materiálů se smršťuje, když tuhnou, ale jak ukazuje sousední tabulka, několik materiálů ne, jako např šedá litina. U materiálů, které se smršťují po tuhnutí, závisí typ smrštění na tom, jak široký je rozsah tuhnutí materiálu. U materiálů s úzkým rozsahem mrazu, méně než 50 ° C (122 ° F),[19] dutina, známá jako a trubka, se tvoří ve středu odlitku, protože vnější plášť nejprve zamrzne a postupně tuhne do středu. Čisté a eutektické kovy mají obvykle úzké rozmezí tuhnutí. Tyto materiály mají tendenci tvořit a kůže v otevřených formách, proto jsou známé jako slitiny tvořící kůži.[19] U materiálů se širokým rozsahem zmrazení vyšším než 110 ° C (230 ° F),[19] mnohem více castingu zabírá sentimentální nebo rozbředlý zóna (teplotní rozsah mezi solidem a likvidem), což vede k malým kapesám kapaliny zachycené v celém rozsahu a nakonec k pórovitosti. Tyto odlitky bývají špatné kujnost, houževnatost, a únava odpor. Kromě toho, aby tyto typy materiálů byly vodotěsné, je nutná sekundární operace pro impregnaci odlitku kovem nebo pryskyřicí s nižší teplotou tání.[17][20]
U materiálů, které mají úzké rozmezí tuhnutí, lze trubky překonat navržením odlitku na podporu směrového tuhnutí, což znamená, že odlitek zamrzne nejprve v bodě nejvzdálenějším od brány, poté postupně tuhne směrem k bráně. To umožňuje kontinuální přísun kapalného materiálu v místě tuhnutí, aby se vyrovnalo smrštění. Všimněte si, že tam, kde finální materiál tuhne, stále existuje smršťovací prázdnota, ale pokud je navržena správně, bude to ve vtokovém systému nebo stoupačce.[17]
Stoupačky a stoupačky
Stoupačky, také známé jako podavače, jsou nejběžnějším způsobem zajištění směrového tuhnutí. Dodává tekutý kov do tuhnoucího odlitku, aby kompenzoval smrštění tuhnutím. Aby stoupačka správně fungovala, musí stoupačka po odlití ztuhnout, jinak nemůže dodávat tekutý kov ke smrštění uvnitř odlitku. Stoupačky zvyšují cenu odlévání, protože snižují výtěžek každého odlitku; tj. více kovu se ztratí jako šrot pro každý odlitek. Dalším způsobem, jak podpořit směrové tuhnutí, je přidání zimnice do formy. Chladem je jakýkoli materiál, který bude odvádět teplo od odlitku rychleji než materiál používaný k formování.[21]
Stoupačky jsou klasifikovány podle tří kritérií. První je, pokud je stoupačka otevřená do atmosféry, pokud je, pak se jí říká otevřeno stoupačka, jinak je známá jako a slepý typ. Druhým kritériem je umístění stoupačky; pokud je umístěn na odlitku, je znám jako a horní stoupačka a pokud je umístěn vedle odlitku, je známý jako boční stoupačka. Nakonec, pokud je stoupačka umístěna na vtokovém systému tak, že se vyplňuje po formovací dutině, je známá jako živé stoupačky nebo horká stoupačka, ale pokud se stoupačka plní materiály, které již protekly formovací dutinou, je známá jako mrtvý stoupač nebo studená stoupačka.[15]
Pomůcky pro stoupačky jsou položky používané k pomoci stoupačkám při vytváření směrového tuhnutí nebo snižování počtu požadovaných stoupaček. Jedna z těchto položek je zimnice které urychlují chlazení v určité části formy. Existují dva typy: vnější a vnitřní zimnice. Vnější zchlazení jsou hmoty materiálu s vysokou tepelnou kapacitou a vysokou tepelnou vodivostí, které jsou umístěny na okraji formovací dutiny. Vnitřní zimnice jsou kusy stejného kovu, který se nalévá, které se umístí do dutiny formy a stanou se součástí odlitku. Pro zpomalení tuhnutí stoupačky mohou být kolem dutiny stoupačky také instalovány izolační objímky a polevy. K zpomalení tuhnutí mohou být také instalovány topné spirály kolem nebo nad dutinou stoupačky.[22]
Tvůrce vzorů se zmenšil
Kov | Procento | v / ft |
---|---|---|
Hliník | 1.0–1.3 | 1⁄8–5⁄32 |
Mosaz | 1.5 | 3⁄16 |
Hořčík | 1.0–1.3 | 1⁄8–5⁄32 |
Litina | 0.8–1.0 | 1⁄10–1⁄8 |
Ocel | 1.5–2.0 | 3⁄16–1⁄4 |
Smršťování po tuhnutí lze řešit pomocí nadrozměrného vzoru navrženého speciálně pro použitou slitinu. Pravidlo kontrakcesnebo zmenšit pravidlos, se používají k tomu, aby se vzory předimenzovaly, aby kompenzovaly tento typ smrštění.[23] Tato pravítka jsou až 2,5% nadměrná, v závislosti na odlévaném materiálu.[22] Na tato pravítka se odkazuje hlavně podle jejich procentuální změny. Vzor vytvořený tak, aby odpovídal existující součásti, by byl vytvořen následovně: Nejprve by se stávající součást měřila pomocí standardního pravítka, poté by při vytváření vzoru použil výrobce vzorů pravidlo kontrakce, které by zajistilo, že se odlitek smrští správná velikost.
Všimněte si, že smršťování tvůrců vzorů nebere v úvahu transformace fázových změn. Například eutektické reakce, martenzitický reakce a grafitizace může způsobit expanzi nebo kontrakce.[23]
Dutina formy
Dutina formy odlitku neodráží přesné rozměry hotového dílu z mnoha důvodů. Tyto modifikace dutiny formy jsou známé jako příspěvky a zohledňují smršťování, tah, obrábění a zkreslení tvůrců vzorů. V nevyčerpatelných procesech jsou tyto přídavky předávány přímo do trvalé formy, ale v procesech spotřebních forem jsou předávány do vzorů, které později tvoří dutinu formy.[23] Pamatujte, že u forem, které nelze spotřebovat, je vyžadován příspěvek na změnu rozměrů formy v důsledku zahřátí na provozní teploty.[24]
U povrchů odlitku, které jsou kolmé na dělicí čáru formy, musí být zahrnut tah. Je tomu tak proto, že odlitek může být uvolňován v procesech, které nelze spotřebovat, nebo vzor lze uvolnit z formy, aniž by došlo ke zničení formy v procesech, které lze spotřebovat. Požadovaný úhel úkosu závisí na velikosti a tvaru prvku, hloubce dutiny formy, způsobu odstraňování součásti nebo vzoru z formy, vzoru nebo materiálu součásti, materiálu formy a typu procesu. Koncept obvykle není menší než 1%.[23]
Příspěvek na obrábění se drasticky liší od jednoho procesu k druhému. Odlitky do písku mají obecně drsnou povrchovou úpravu, a proto vyžadují větší toleranci obrábění, zatímco tlakové lití má velmi jemnou povrchovou úpravu, což nemusí vyžadovat žádnou toleranci obrábění. Koncept může také poskytnout dostatek příspěvku na obrábění.[24]
Příspěvek na zkreslení je nezbytný pouze pro určité geometrie. Například odlitky ve tvaru písmene U budou mít tendenci se zkreslovat, když se nohy roztáhnou směrem ven, protože základna tvaru se může smršťovat, zatímco nohy jsou omezeny formou. To lze překonat vytvořením dutiny formy tak, aby se noha nejprve naklonila dovnitř. Dlouhé vodorovné úseky mají také tendenci se prohýbat uprostřed, pokud nejsou zabudována žebra, takže může být vyžadován příspěvek na zkreslení.[24]
Jádra mohou být použita ve zpracovatelných formovacích procesech k výrobě vnitřních vlastností. Jádro může být kovové, ale obvykle se provádí v písku.
Plnicí
Tato sekce potřebuje expanzi. Můžete pomoci přidávat k tomu. (Únor 2010) |
Existuje několik běžných metod pro plnění dutiny formy: gravitace, nízký tlak, vysoký tlak, a vakuum.[25]
Vakuové plnění, známé také jako proti gravitaci plnění, je kov účinnější než gravitační lití, protože v hradlovém systému tuhne méně materiálu. Gravitační lití má pouze 15 až 50% výtěžek kovu ve srovnání s 60 až 95% pro vakuové lití. Existuje také menší turbulence, takže vtokový systém lze zjednodušit, protože nemusí ovládat turbulenci. Navíc, protože kov je tažen zespodu horní části bazénu, je kov bez struska a struska, protože ty mají nižší hustotu (lehčí) a plují k horní části bazénu. Tlakový rozdíl pomáhá kovu proudit do každé složitosti formy. Nakonec lze použít nižší teploty, což zlepšuje strukturu zrna.[25] První patentovaný stroj a proces vakuového odlévání pochází z roku 1879.[26]
Nízkotlaké plnění využívá tlak vzduchu 5 až 15 psig (35 až 100 kPag) k natlakování tekutého kovu do přívodní trubice do dutiny formy. To eliminuje turbulence nalezené při gravitačním lití a zvyšuje hustotu, opakovatelnost, tolerance a rovnoměrnost zrna. Po ztuhnutí odlitku se tlak uvolní a veškerá zbývající kapalina se vrátí do kelímku, což zvyšuje výtěžek.[27]
Náklonná výplň
Náklonná výplň, také známý jako náklon casting, je neobvyklá plnicí technika, při které je kelímek připevněn k hradlovému systému a oba se pomalu otáčejí, takže kov vstupuje do dutiny formy s malými turbulencemi. Cílem je snížit pórovitost a inkluze omezením turbulence. U většiny použití není možné provést výklopnou výplň, protože existuje inherentní problém: pokud se systém otáčí dostatečně pomalu, aby nevyvolával turbulence, přední část kovového proudu začne tuhnout, což má za následek nesprávné běhy. Pokud se systém otáčí rychleji, vyvolává turbulence, což maří účel. Durville Francie se jako první pokusila o casting v 19. století. Pokusil se jej použít ke snížení povrchových vad při odlévání mincí z hliníkový bronz.[28]
Makrostruktura
Makrostruktura zrna ingotů a většiny odlitků má tři odlišné oblasti nebo zóny: chladnou zónu, sloupcovou zónu a ekviaxiální zónu. Obrázek níže zobrazuje tyto zóny.
Chladová zóna je pojmenována tak, protože se vyskytuje u stěn formy, kde je zeď zimnice materiál. Zde dochází k nukleační fázi procesu tuhnutí. Když se odstraní více tepla, zrna rostou směrem ke středu odlitku. Jsou tenké, dlouhé sloupce které jsou kolmé k licí ploše, což je nežádoucí, protože mají anizotropní vlastnosti. A konečně, ve středu rovnoramenná zóna obsahuje sférické, náhodně orientované krystaly. Jsou žádoucí, protože mají izotropní vlastnosti. The creation of this zone can be promoted by using a low pouring temperature, alloy inclusions, or inoculants.[12]
Inspekce
Common inspection methods for steel castings are magnetic particle testing a liquid penetrant testing.[29] Common inspection methods for aluminum castings are radiografie, ultrazvukové testování, a liquid penetrant testing.[30]
Vady
There are a number of problems that can be encountered during the casting process. The main types are: gas porosity, shrinkage defects, mold material defects, pouring metal defects, a metallurgical defects.
Casting process simulation
Casting process simulation uses numerical methods to calculate cast component quality considering mold filling, solidification and cooling, and provides a quantitative prediction of casting mechanical properties, thermal stresses and distortion. Simulation accurately describes a cast component's quality up-front before production starts. The casting rigging can be designed with respect to the required component properties. This has benefits beyond a reduction in pre-production sampling, as the precise layout of the complete casting system also leads to energy, material, and tooling savings.
The software supports the user in component design, the determination of melting practice and casting methoding through to pattern and mold making, heat treatment, and finishing. This saves costs along the entire casting manufacturing route.
Casting process simulation was initially developed at universities starting from the early '70s, mainly in Europe and in the U.S., and is regarded as the most important innovation in casting technology over the last 50 years. Since the late '80s, commercial programs are available which make it possible for foundries to gain new insight into what is happening inside the mold or die during the casting process.
Viz také
- 10 Types of Casting
- Bronzová socha
- Bronzové a mosazné ozdobné práce
- Kování
- Pórovitost těsnění
- Spin casting
- Tvarování stříkáním
- Slévárna
Reference
Poznámky
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 277
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 278
- ^ Schleg et al. 2003, chapters 2–4.
- ^ A b Kalpakjian & Schmid 2006.
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 315
- ^ 10th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds. G. Hirt, A. Rassili & A. Buhrig-Polaczek, Aachen Germany & Liege, Belgium, 2008
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 278–279
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 279–280
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 280
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 280–281
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 281
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 282
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 284
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 285
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 287
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 285–286
- ^ A b C Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 286
- ^ Stefanescu 2008, str. 66.
- ^ A b C Stefanescu 2008, str. 67.
- ^ Porter, David A.; Easterling, K. E. (2000), Phase transformations in metals and alloys (2. vydání), CRC Press, str. 236, ISBN 978-0-7487-5741-1.
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, s. 286–288.
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 288
- ^ A b C d E Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 289
- ^ A b C Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 290
- ^ A b Degarmo, Black & Kohser 2003, str. 319–320.
- ^ Institut železa a oceli (1912), Journal of the Iron and Steel Institute, 86, Iron and Steel Institute, p. 547.
- ^ Lesko, Jim (2007), Průmyslový design (2nd ed.), John Wiley and Sons, p. 39, ISBN 978-0-470-05538-0.
- ^ Campbell, John (2004), Castings practice: the 10 rules of castings, Butterworth-Heinemann, pp. 69–71, ISBN 978-0-7506-4791-5.
- ^ Blair & Stevens 1995, str. 4‐6.
- ^ Kissell & Ferry 2002, str. 73.
Bibliografie
- Blair, Malcolm; Stevens, Thomas L. (1995), Steel castings handbook (6th ed.), ASM International, ISBN 978-0-87170-556-3.
- Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiály a procesy ve výrobě (9. vydání), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Výrobní inženýrství a technologie (5th ed.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.
- Kissell, J. Randolph; Ferry, Robert L. (2002), Aluminum structures: a guide to their specifications and design (2nd ed.), John Wiley and Sons, ISBN 978-0-471-01965-7.
- Schleg, Frederick P.; Kohloff, Frederick H.; Sylvia, J. Gerin; American Foundry Society (2003), Technology of Metalcasting, American Foundry Society, ISBN 978-0-87433-257-5.
- Stefanescu, Doru Michael (2008), Science and Engineering of Casting Solidification (2. vyd.), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8.
- Ravi, B (2010), Metal Casting: Computer-aided Design and Analysis (1st ed.), PHI, ISBN 978-81-203-2726-9.