1.1. Opis procesu odlewaniaOdlewnictwo jest jedn z podstawowych technologii wytwarzania przedmiotw - odleww - z metali i ich stopw, a take z innych materiaw, jak np. z bazaltu czy ywic polimerowych. W pracy tej omwiono tylko odlewnictwo materiaw metalowych (zwanych krcej metalami), ktrego znaczenie w przemyle jest najwiksze. Metod odlewania wykonuje si przede wszystkim czci maszyn (udzia wagowy takich odleww dochodzi do 80%) w przemyle samochodowym, lotniczym, okrtowym, maszyn technologicznych, zbrojeniowym, artykuw gospodarstwa domowego itp. Ponadto technologia ta jest stosowana w bardzo wielu innych dziedzinach, np. w budownictwie, jubilerstwie, produkcji czci medycznych, tworzeniu dzie sztuki. Istnieje olbrzymia rnorodno procesw odlewniczych, jednake istota wszystkich sprowadza si do nastpujcych dziaa (rys. 1.1): wlania roztopionego metalu do przygotowanej wczeniej formy, majcej wnk odpowiadajc w zasadzie ksztatowi odlewu, zakrzepnicia i czciowego ostudzenia wlanego metalu, usunicia odlewu z formy i jego wykoczenia.

1.2. Gwne zagadnienia wystpujce w procesach odlewniczychOtrzymanie odlewu, speniajcego okrelone wymagania odnonie do ksztatu, dokadnoci, struktury materiau i innych parametrw, wymaga szeregu dziaa, przebiegajcych w dwch zasadniczych etapach: przygotowanie formy i metalu do zalania, wykonanie samego odlewu (jak na rys. 1.1). Przygotowanie metalu Istota procesu odlewania wymaga, aby metal doprowadzi do stanu ciekego. Odlewnictwo rni si jednak tym od innych metod wytwarzania, e materia wyrobu, tj. stop metali o okrelonym skadzie chemicznym przeznaczony do wykonania czci, nie jest zwykle dostpny (kupowany) w stanie gotowym, lecz wytwarzany w odlewni bezporednio przed wykonaniem odlewu, w procesie zwanym wytopem. Wytop polega na stopieniu razem okrelonych surowcw i przeprowadzeniu w tak otrzymanej kpieli okrelonych reakcji chemicznych i procesw fizycznych. Wytop odbywa si w specjalnych piecach topialnych; czasem kocowa jego cz przebiega dopiero w chwili wlewania metalu do formy. Surowce uyte do wytopu, nazywane materiaami wsadowymi lub po prostu wsadem, zwykle skadaj si ze stopu podstawowego o skadzie zblionym do podanego dla gotowego odlewu oraz rnych dodatkw metalowych i niemetalowych. Na przykad podstawowym materiaem wsadowym przy otrzymywaniu eliwa jest zwykle surwka (stop elaza i wgla) produkowana przez huty w postaci sztab, tzw. gsek. Procesy chemiczne zachodzce podczas wytopu polegaj na reakcjach chemicznych midzy materiaami wsadowymi lub midzy skadnikiem kpieli a gazem aktywnym (np. utlenianie). Procesy fizyczne to zazwyczaj rafinacja, czyli oczyszczanie stopw z niepodanych wtrce (np. tlenkw) i s przewanie realizowane przez przedmuchiwanie kpieli metalowej nieszkodliwym gazem. Przygotowanie form odlewniczych Stosuje si dwa podstawowe typy form odlewniczych: trwale i jednorazowe. Formy trwae wykonuje si z metalu i su one do wielokrotnego wykonywania odlewu (lub kilku odleww przy formach wielownkowych). Ich budowa ma wiele cech wsplnych z oprzyrzdowaniem uywanym w innych technologiach, np. formami wtryskowymi do tworzyw sztucznych czy matrycami stosowanymi w procesach kucia, a ich trwao, mierzona liczb zala do chwili osignicia niedopuszczalnego stopnia zuycia, siga kilkuset tysicy. Odlewanie do form jednorazowych dominuje w przypadku stopw elaza, ktrych udzia w caej produkcji odleww jest zdecydowanie najwikszy. Formy takie s wykonywane z materiaw niemetalowych, o dostatecznie duej odpornoci na dziaanie wysokiej temperatury. Najbardziej rozpowszechnionym materiaem na formy jednorazowe jest piasek kwarcowy z dodatkami powodujcymi wizanie ziaren midzy sob i utwardzenie formy, ktrej nadano odpowiedni ksztat jeszcze w chwili, kiedy materia by w stanie sypkim lub pynnym. Materia typu mieszanina piasku kwarcowego z dodatkami wicymi (czasami take innymi dodatkami) jest nazywany mas formiersk. W celu otrzymania bardzo dokadnych form stosuje si inne, drosze materiay, jak mieszanki ceramiczne oraz gips. Zgodnie ze sw nazw, forma jednorazowa jest uywana tylko do jednego zalania, a wic wykonania jednego lub kilku odleww mieszczcych si w niej jednoczenie. Oznacza to, e w odrnieniu od innych procesw technologicznych, odlewanie wymaga, oprcz wytwarzania danego wyrobu (odlewu), rwnolegego wytwarzania form. Naley zwrci uwag na to, e forma skada si przewanie z kilku czci, czasem z rnych materiaw, co sprawia, e wykonywanie form jednorazowych jest procesem zoonym. Sam materia formy jest rwnie prawie zawsze wytwarzany w odlewni, w specjalnych oddziaach, zwanych stacjami przerobu mas.

Zalewanie formy Wypenianie formy ciekym metalem jest podstawowym dziaaniem w celu otrzymania odlewu. Struga ciekego metalu pynie najpierw w kanaach, zwanych ukadem wlewowym, a nastpnie wpywa do wnki formy, wypeniajc j cakowicie. Przepyw ten najczciej odbywa si w wyniku dziaania tylko sil cikoci i wwczas mwimy o odlewaniu grawitacyjnym. Moe take zachodzi przy udziale dodatkowego cinienia lub z udziaem si odrodkowych, w formach poddanych ruchowi obrotowemu. Sposb wypeniania formy, jak potwierdzono w praktyce, decydujco wpywa na jako odleww; szacuje si, e a 80-90% problemw odlewniczych jest zwizanych z niewaciwym zalewaniem. Zbyt maa lub zbyt dua prdko albo temperatura zalewania oraz nieodpowiednio uksztatowane kanay ukadu wlewowego mog by przyczyn wystpienia wielu wad odlewniczych, takich jak niedolewy (niewypenienie wszystkich przestrzeni wnki formy), zanieczyszczenia wewntrzne i powierzchniowe odlewu oraz inne, a take prowadzi do niszczenia form zarwno jednorazowych (przed ich wypenieniem), jak i trwaych (przypieszone zuycie). Omwienie zjawisk zachodzcych przy wypenianiu formy i zasady budowy ukadw wlewowych do zalewania grawitacyjnego zamieszczono w p. 1.2. Krzepnicie odlewu Krzepnicie metalu wlanego do formy jest drugim podstawowym elementem procesu niezbdnym do otrzymania odlewu. Polega on na powstawaniu i wzrocie krysztaw, ktre mog przybiera bardzo rne ksztaty, zalenie od skadu chemicznego stopu, szybkoci i kierunku odbierania ciepa od ciekego metalu. W wyniku krystalizacji tworzy si zatem struktura materiau decydujca o wasnociach wyrobu. Podstawowym zjawiskiem wystpujcym w skali makroskopowej przy krzepniciu jest zmniejszanie si objtoci waciwej stopu, zwane skurczem krzepnicia. Na rysunku 1.2 pokazano schematycznie przykadowy przebieg krzepnicia odlewu w ksztacie kostki. W pierwszej fazie tworzy si zakrzepa warstwa przycienna. Poniewa objto metalu znajdujcego si wewntrz niej po zakrzepniciu bdzie mniejsza ni cieczy, to po zakrzepniciu kolejnych warstw zabraknie metalu, co doprowadzi do powstania w zakrzepym odlewie przestrzeni pustej, zwanej jam skurczow. Jama skurczowa zwykle powstaje w tych miejscach odlewu, ktre krzepn pniej ni otaczajce je warstwy metalu. Wobec dziaania si grawitacyjnych, sprzyjajcych spywaniu ciekego metalu ku doowi, miejsce jamy skurczowej przesuwa si jednak zwykle ku grze w stosunku do miejsca najgortszego (rys. 1.2b).

Wewntrzna wada skurczowa w odlewie jest z reguy niedopuszczalna. Aby jej zapobiec, wnk formy rozbudowuje si, zaopatrujc odlewy w dodatkowe elementy, z ktrych metal w czasie krzepnicia odlewu przepywa do uytecznej czci odlewu w celu skompensowania brakw metalu wynikych podczas jej skurczu. Taki proces nazywa si zasilaniem, te dodatkowe elementy za, w ktrych ostatecznie lokalizuje si jama skurczowa (rys. 1.3), s zwane nadlewami lub zasilaczami. Nadlewy, podobnie jak ukad wlewowy, odcina si lub odamuje po usuniciu odlewu z formy.

1.3.1. Odlewanie do form piaskowych o poziomej paszczynie podziauNa rysunku 1.4 pokazano typow, gotow form do przykadowego odlewu z eliwa o maym skurczu krzepnicia, nie wymagajcym stosowania nadleww. Skada si ona z dwch powek, grnej i dolnej; mwimy, e forma taka ma poziom paszczyzn podziau. Trzecim skadnikiem formy jest rdze, tj. element wykonany z masy piaskowej o duej wytrzymaoci. Wikszo form piaskowych przygotowuje si w sposb opisany poniej.

Powki formy wykonuje si oddzielnie, przez odwzorowanie ksztatu odpowiedniej czci wnki z modelu odlewu (wraz z ukadem wlewowym i nadlewami), wykonanego z metalu, tworzywa sztucznego lub drewna. Typowy przebieg wykonania jednej czci formy jest nastpujcy (rys. 1.5): na pycie modelowej (tj. modelu przymocowanego do pyty podmodelowej) ustawia si skrzynk formiersk (bez dna, o ksztacie ramy); skrzynk wypenia si mas formiersk (z pewnym nadmiarem); mas formiersk utwardza si (albo przez silne zagszczenie, np. prasowanie, albo drog reakcji chemicznych zachodzcych w dodatkach wicych ziarna masy ze sob); powka formy zostaje oddzielona od modelu (inaczej mwi si, e model jest usuwany z formy); w przypadku powki dolnej obraca siej nastpnie o 180.

Istotn rzecz jest zaprojektowanie tzw. pochyle odlewniczych na wszystkich cianach odleww prostopadych do powierzchni podziau. S one niezbdne do usunicia modelu z formy piaskowej. Pochylenia te, o wartociach ok. 0,5-2,5, sprawiaj, e ju w pierwszej fazie ruchu formy wzgldem modelu nastpuje odsunicie powierzchni obu elementw, co zapobiega zniszczeniu powierzchni formy. Rdzenie su do odwzorowania tych fragmentw ksztatu odlewu, ktrych nie mona otrzyma z modelu, ze wzgldu na konieczno usuwania modelu z formy w jednym kierunku (rys. 1.5c). Takimi ksztatami s przede wszystkim otwory, zwaszcza poziome, ale take rnego rodzaju zagbienia boczne. Liczba rdzeni w jednej formie moe by dua. Rdzenie wykonuje si w specjalnych skrzynkach rdzeniowych, inaczej zwanych rdzennicami (rys. 1.6).

Po wypenieniu rdzennicy mas rdzeniow prowadzi si proces utwardzenia (najczciej drog reakcji chemicznych), a nastpnie usuwa si rdze z rdzennicy. Rdzenie skomplikowane wykonuje si w kilku czciach, ktre nastpnie czy si za pomoc klejenia. Naley zwrci uwag, e rwnie wikszo elementw ukadu wlewowego jest wykonywana w procesie formowania. Po wykonaniu wszystkich elementw formy nastpuje monta rdzeni w dolnej powce. Rdzenie osadza si w specjalnych gniazdach rdzeniowych, odtwarzanych rwnie przez model, podobnie jak ksztat odlewu. Kolejnymi czynnociami jest skadanie formy (naoenie grnej powki) oraz klamrowanie obu skrzynek razem lub obcianie grnej skrzynki Po zalaniu formy i zakrzepniciu odlewu nastpuje wybicie odlewu z formy oraz wybicie rdzeni z odlewu. Procesy te polegaj na rozkruszeniu masy formierskiej i rdzeniowej. Przy projektowaniu form piaskowych naley kierowa si wieloma zasadami, z ktrych najwaniejsze dotycz wyboru powierzchni podziau formy. Wybr ten determinuje pooenie odlewu w formie, cile zwizane z moliwociami poprawnego zalania i zasilenia odlewu, a take sposb i atwo wykonania formy, w tym obecno i ksztat jej elementw skadowych (np. rdzeni). Zasady podziau form piaskowych podano poniej.

1. Wybrana powierzchnia podziau powinna umoliwia wycignicie obu powek modelu z formy bez jej uszkodzenia. Nieprzestrzeganie tej zasady prowadzi do koniecznoci stosowania czci lunych modelu (usuwanych osobno po wyjciu gwnej czci danej powki), co znacznie komplikuje wykonanie formy i moe by stosowane tylko przy formowaniu rcznym. Spord powierzchni speniajcych podany warunek naley wybra t, ktra przechodzi przez najwikszy przekrj odlewu tak, aby gboko wnk bya moliwie najmniejsza. 2. Elementy odlewu, ktrych wzajemne pooenie ma by cile ustalone, powinny by odtworzone w jednej powce formy lub przez jeden rdze. Niepodane jest, aby powierzchnia podziau przecinaa paskie lub walcowe pionowe powierzchnie odlewu. W miar monoci cay odlew naley umieci w jednej czci formy. 3. Naley dy, aby powierzchnia podziau bya paszczyzn. 4. Naley dy do takiej konstrukcji formy, w ktrej jest potrzebna najmniejsza liczba rdzeni. Rdzenie powinny mie, w miar moliwoci, dobre ustalenie w dolnej czci formy. 5. Bardziej odpowiedzialne czci odlewu naley umieszcza w dolnej czci formy (z uwzgldnieniem zasad zasilania), gdy materia zawiera tam mniej zanieczyszcze. Odpowiedzialne powierzchnie odlewu powinny by zwrcone ku doowi albo by usytuowane pionowo. 6. Konstrukcja formy powinna zapewni atwe oczyszczenie odlewu (np. usunicie pozostaoci po ukadzie wlewowym oraz zalewek, czyli metalu ktry wpyn midzy nie przylegajce dobrze do siebie czci formy). 7. Dla wikszoci stopw wymagajcych stosowania nadleww w celu skompensowania skurczu przy krzepniciu (z wyjtkiem eliw szarych i sfe-roidalnych) bardzo istotnym kryterium wyboru powierzchni podziau jest takie usytuowanie odlewu w formie, aby czci grube znalazy si w grnej czci formy, gdy atwiejsze bdzie wwczas ich zasilenie za pomoc nadleww. Na rysunku 1.7 pokazano przykad kilku wariantw powierzchni podziau formy piaskowej dla jednego odlewu. Przyjcie ktrejkolwiek z powierzchni podziau oznaczonej numerami 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 lub 10 wymagaoby zastosowania albo czci lunych modelu, odtwarzajcych jeden z konierzy, albo rdzeni bocznych (zewntrznych), odtwarzajcych wnk oznaczon liter C. Wariant 2 wymaga stosowania formy skadajcej si z trzech skrzynek.

Wariant 1 nie stwarza wprawdzie adnej z wymienionych trudnoci, jednake powierzchnia ta nie przechodzi przez najwikszy przekrj odlewu, a poza tym nie stwarza moliwoci odtworzenia caego odlewu w jednej czci formy. Optymalnym rozwizaniem wydaje si by w tym przypadku powierzchnia oznaczona numerem 5, z zastosowaniem rdzeni bocznych, jak to pokazano na rys. 1.7b. Spenia ona prawie wszystkie gwne zasady podziau form piaskowych, z wyjtkiem zasady nr 4. Jednake i w tym przypadku moliwe jest ograniczenie liczby rdzeni i odtwarzanie wnk w odlewie oznaczonych literami A i B przez mas formiersk (rys. 1.4b, lewa strona). Celowo takiego rozwizania zaley od jego opacalnoci, bowiem pyta modelowa z zagbieniem, sucym do uformowania garbu odtwarzajcego wnk oznaczon liter A, jest drosza od pyty zwykej. Trudnoci z wykonaniem form podobnych do tych, jakie przedstawiono powyej, mona unikn zmieniajc nieco geometri odlewu, co jednak wymaga uzgodnienia z konstruktorem czci. Na rysunku 1.8 pokazano przykad dwch odleww podobnych do przedstawionego na rys. 1.7, ilustrujcy moliwo poprawienia technologicznoci konstrukcji odlewu.

1.3.2. Odlewanie kokiloweNa rysunku 1.9 pokazano przykadowy odlew ze stopu aluminium, a na rys. 1.10 form suc do wykonywania tego odlewu. Jest to forma trwaa, metalowa, zalewana grawitacyjnie; taka odmiana formy nosi nazw kokili. Sama wnka kokili pokryta jest cienk, izolujc warstewk niemetaliczn, nanoszon zwykle przez napylanie.

Po zalaniu, zakrzepniciu i czciowym ostudzeniu metalu nastpuje otwarcie kokili i usunicie z niej odlewu. W przypadku kokili pokazanej na rys. 1.10 odbywa si to bdzie w nastpujcy sposb: wycignicie rdzenia metalowego do dou, odsunicie lewej powki kokili w lewo (odlew pozostaje zacinity na wystpie prawej powki odtwarzajcym duy otwr), wypchnicie odlewu z prawej powki za pomoc wypychaczy. Naley zwrci uwag, e zasadniczym problemem przy wyborze powierzchni podziau i projektowaniu innych elementw form metalowych jest moliwo atwego usunicia zakrzepego odlewu z formy, bez uszkodzenia odlewu, podczas gdy w przypadku form jednorazowych problemem tym jest moliwo i atwo usuwania modelu w procesie formowania, bez uszkodzenia formy. Niemniej jednak zasady wyboru paszczyzny podziau kokil s zblione do tych, ktre obowizuj dla form piaskowych. Analogicznie jak w przypadku form piaskowych, odlewy wykonywane w formach metalowych musz mie pochylenia na powierzchniach rwnolegych do kierunku usuwania odlewu z formy i rdzeni metalowych z odlewu.

2.1. Zjawiska fizyczne wystpujce przy wypenianiu formW procesie wypeniania formy wystpuje wiele zjawisk, ktrych zrozumienie jest niezbdne do prawidowego zaprojektowania ukadu wlewowego, ktre z kolei warunkuje otrzymanie odlewu bez wad. W tym punkcie omwiono te zjawiska, ktre dotycz zalewania grawitacyjnego. Charakter przepywu Stopiony metal zawsze niesie na swojej powierzchni warstw tlenkw i innych zanieczyszcze, ktrych dostanie si do wntrza odlewu naley znacznie ogranicza, zwaszcza przy istotnych wymaganiach odnonie do struktury i wytrzymaoci odlewu. Sprawia to, e naley dy do przepywu uwarstwionego (laminarnego), w ktrym wszystkie warstwy strugi bd pyny rwnolegle do siebie, nie dopuszczajc do wnikania tlenkowej warstwy powierzchniowej w gb strugi. O charakterze przepywu decyduje zasadniczo liczba Reynoldsa:

gdzie: u - prdko przepywu, D - rednica kanau, v - wspczynnik lepkoci kinematycznej pynu. Przyjmuje si, e przy Re > 2000 naley ju spodziewa si niepodanego przepywu burzliwego. Ostatnie badania wskazuj jednak, e dla zjawiska wnikania warstw powierzchniowych w gb cieczy bardziej odpowiednim kryterium jest mniej rozpowszechniona tzw. liczba Webera:

gdzie: t - napicie powierzchniowe, r - gsto cieczy. Naley zwrci uwag, e w przeciwiestwie do liczby Reynoidsa, bezpieczne jest utrzymywanie wartoci liczby Webera powyej pewnej wartoci granicznej. Warto ta nie zostaa jednak jeszcze okrelona, cho jej posta wskazuje jednoznacznie na konieczno ograniczenia prdkoci metalu w kanaach formy. Dotyczy to szczeglnie metali atwo utleniajcych si, jak stopy aluminium i magnezu, a take eliw i staliw odlewanych w formach piaskowych ze spoiwem na bazie ywic uretanowych (warstwa powierzchniowa skada si wwczas z grafitu powstaego z rozkadu tego spoiwa pod dziaaniem wysokiej temperatury odlewanego stopu). Zbyt maa prdko przepywu moe rwnie powodowa problemy zwizane z przedwczesnym krzepniciem metalu lub powierzchniowej warstwy tlenkw. Cieky stop w trakcie pynicia ochadza si, co moe prowadzi do jego zakrzepnicia w stopniu uniemoliwiajcym dalszy przepyw. Mwimy o ograniczonej lejnoci metalu, ktra nie jest cech tylko materiaow, gdy zaley m.in. od temperatury pocztkowej metalu, gruboci kanau, wasnoci cieplnych formy oraz dynamiki zalewania. Ograniczenie wynikajce z lejnoci dotyczy przede wszystkim takich stopw, jak staliwo i stopy aluminium. Innym problemem zwizanym ze zbyt wolnym przesuwaniem si czoa strugi metalu jest tenie i przywieranie do formy powierzchniowej warstwy tlenkowej, pomimo e sam metal ma jeszcze znacznie wysz temperatur ni temperatura krzepnicia. Doprowadza to do chwilowego zatrzymywania przepywu przy powierzchni, a nastpnie przeamywania przywartej warstwy tlenku przez strug metalu, a

wic niestabilnego przesuwania si czoa strugi. W konsekwencji na powierzchni gotowego odlewu wystpuje wada w postaci fad tlenkowych. Z powyszego opisu wynika, e zakres dopuszczalnych prdkoci przepywu metalu w formie jest ograniczony trzema czynnikami, co pokazano na rys. 1.11. Naley zaznaczy, e spord wyej wymienionych trzech czynnikw w praktyce s znane tylko dopuszczalne wartoci minimalnej prdkoci pynicia wymagane w celu niedopuszczenia przywierania tlenkw do powierzchni formy (aby uzyska stabilne pynicie, bez tworzenia fad). S one podawane w literaturze i okrelane jako minimalna prdko podnoszenia lustra metalu, gdy najwiksze spowolnienie prdkoci przemieszczania si czoa strugi wystpuje przy wypenianiu grubych cian pionowych. Wydatek objtociowy ciekego metalu wpywajcego do formy rwny jest iloczynowi prdkoci podnoszenia si lustra metalu i pola tej powierzchni, czyli pola przekroju odlewu - im wikszy przekrj poziomy (grubsza cianka), tym prdko podnoszenia mniejsza.

Czas wypenienia formy (czas zalewania) Czas wypeniania formy jest ograniczony szeregiem czynnikw, z ktrych najistotniejsze omwiono poniej. Zbyt dugi czas zalewania nie tylko moe prowadzi do obnienia tempa produkcji, lecz take stwarza niebezpieczestwo uszkodzenia powierzchni wnki formy wskutek zbyt dugiego oddziaywania promieniowania cieplnego roztopionego metalu. Przy wypenianiu przez metal paskich poziomych cian odlewu, wystpujcych w odlewach w ksztacie pyt, skrzynek itp., prdko podnoszenia si lustra metalu jest niewielka (z uwagi na duy przekrj poziomy takiej czci odlewu), lustro za ciekego metalu znajduje si w bliskiej odlegoci od grnego sklepienia formy. W tym czasie nastpuje silne napromieniowanie cieplne tej powierzchni wnki, nagrzanie jej warstwy powierzchniowej, co stwarza tendencj do jej rozszerzania si. Poniewa nie jest to moliwe z uwagi na opr pozostaych czci formy, warstwa powierzchniowa wybacza si w kierunku ku doowi i czciowo odrywa od gwnej masy. Po dojciu lustra metalu do takiej uszkodzonej powierzchni ciecz wnika w puste przestrzenie, czego efektem jest powstawanie na powierzchni zakrzepego odlewu paskich obszarw w ksztacie jaskczego ogona. Obszary te s w jednym miejscu poczone z gwn objtoci odlewu, a w pozostaych oddzielone warstw masy formierskiej. Taka wada nosi nazw strupa i jest bardzo trudna do usunicia. Mechanizm powstawania takich uszkodze przedstawiono na rys. 1.12.

Naley zwrci uwag, e intensywno przekazywania energii cieplnej drog promieniowania jest, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana, proporcjonalna do T4, gdzie T oznacza temperatur w skali bezwzgldnej. Std te opisane zjawisko przebiega znacznie intensywniej w wysokich temperaturach

ciekego metalu, a w praktyce wystpuje tylko dla eliwa i staliwa. Odporno na dziaanie wysokiej temperatury form nie zawierajcych wody jest na og wystarczajca. Jednake z uwagi na to, e wikszo form piaskowych jest sporzdzana z mas piaskowych wodno-glinowych, problem ten wystpuje w odlewniach do czsto. Przy projektowaniu ukadw wlewowych naley kierowa si dowiadczeniami danej odlewni, w ktrej okrelono ju dopuszczalny czas napromieniowania stosowanej masy przy produkcji innych odleww. Jeeli zastosowano przy tym inn temperatur zalewania, to dopuszczalny czas napromieniowania naley skorygowa zgodnie z nastpujc zalenoci:

gdzie: tn1, tn2 - oba czasy napromieniowania, Tz1, Tz2 - odpowiadajce im temperatury zalewania w skali bezwzgldnej. Szybko wypeniania formy nie moe by zbyt dua, gdy gazy znajdujce si w jej wnce nie zd uj przez pory w masie lub specjalne kanay odpowietrzajce. Zdolno formy do odprowadzania gazw nazywa si przepuszczalnoci. Ograniczona przepuszczalno form, podobnie jak zbyt niska lejno stopw, moe by przyczyn powstawania tzw. niedoleww.

2.2.1. Gwne elementy ukadu wlewowegoUkad kanaw sucych do doprowadzenia metalu do wnki formy, zwany ukadem wlewowym, ma ksztat zaleny od rodzaju formy odlewniczej oraz materiau odlewu. W wikszoci ukadw wlewowych wyrnia si charakterystyczne elementy, speniajce okrelone funkcje (rys. 1.13).

Zbiornik wlewowy jest elementem ukadu wlewowego, do ktrego jest wlewany metal z kadzi lub z innego urzdzenia zawierajcego metal pobrany z pieca. Ze zbiornika metal przepywa kanaem o najczciej okrgym przekroju, zwanym wlewem gwnym, docierajc na poziom, w ktrym s umieszczone dalsze elementy ukadu (zazwyczaj jest to paszczyzna podziau). W niektrych rozwizaniach bezporednio pod wlewem gwnym umieszcza si niewielkie rozszerzenie, zwane podstaw wlewu gwnego. W celu doprowadzenia ciekego metalu od jednego punktu, jakim jest dolny kraniec wlewu gwnego, w poblie odlewu, wykonuje si kana zwany wlewem rozprowadzajcym. Niejednokrotnie w jednej formie jest kilka odleww umieszczonych po rnych stronach wlewu gwnego i wwczas moe by kilka wleww rozprowadzajcych, lub te kana ten moe mie kilka rozgazie. Rola wlewu rozprowadzajcego nie ogranicza si tylko do rozprowadzenia metalu w odpowiednie rejony formy, lecz polega take na zatrzymywaniu tlenkw i zanieczyszcze pyncych na czole strugi ciekego metalu, z czym wie si jego dawniejsza nazwa "belka ulowa". Kanay doprowadzajce metal do wnki formy odwzorowujcej odlew s nazywane wlewami doprowadzajcymi. Zazwyczaj do danego odlewu doprowadza si metal kilkoma wlewami doprowadzajcymi, czsto umieszczanymi z rnych stron. Ostatnim elementem ukadu wlewowego, nie zawsze stosowanym, s przelewy, zwane niekiedy wychodami. Su one do atwego odprowadzenia gazw z wnki formy (zarwno znajdujcego si tam powietrza, jak i dodatkowych gazw powstajcych w wyniku oddziaywania gorcego metalu na materia formy i rdzeni), a take do wyprowadzenia znajdujcych si na powierzchni ciekego metalu zanieczyszcze. Przelewy umieszcza si po przeciwnej strome odlewu w stosunku do wleww doprowadzajcych oraz na najwyszych punktach odlewu. Naley zwrci uwag, e w przypadku form z poziom paszczyzn podziau wlew gwny i przelew s kanaami pionowymi, natomiast wlewy rozprowadzajce i wlewy doprowadzajce poziomymi. Ze wzgldu na atwo wykonania formy wlewy te s najczciej wykonywane w paszczynie podziau formy. Dla form z pionow paszczyzn podziau, ktrej przykadem jest kokila pokazana na rys. 1.10, cay ukad wlewowy projektowany jest najczciej w paszczynie podziau formy. W przypadku form metalowych wie si to m.in. z koniecznoci wyjcia odlewu wraz z (zakrzepym) ukadem z formy. Prawidowe zaprojektowanie ukadu wlewowego umoliwia uniknicie tych niepodanych zjawisk, o ktrych bya mowa w poprzednim punkcie. Niezalenie od rodzaju procesu odlewania projektowanie ukadu wlewowego odbywa si zawsze w trzech etapach:

1) okrelenie optymalnego czasu zalewania, 2) obliczenie minimalnego przekroju ukadu wlewowego, ktry zapewni uzyskanie takiego czasu, 3) okrelenie geometrii wszystkich elementw ukadu wlewowego.

2.2.2. Okrelenie optymalnego czasu zalewaniaW celu obliczenia prawidowego czasu zalewania korzysta si z prostych zalenoci o charakterze czysto empirycznym, wynikajcych z wieloletnich dowiadcze przemysowych. Poniej podano dwa przykady takich zalenoci. 1. Przy odlewaniu eliwa do form piaskowych czas zalewania oblicza si w sekundach z wykresu lub odpowiadajcego mu wzoru:

gdzie: m - masa odlewu wraz z nadlewami w kg, a i b - wspczynniki empiryczne; a = 1,8, b = 0,43. 2. Dla niewielkich odleww ze stopw lekkich (aluminium i magnezu) odlewanych w kokilach czas zalewania szacuje si na podstawie gruboci cianki odlewu i miejsca doprowadzenia metalu do odlewu. Na przykad dla stopw AlSi, AlSiMg i AlSiCu wynosi on: - przy doprowadzeniu metalu z dou tz = g-1, - przy doprowadzeniu metalu z boku tz = g, - przy doprowadzeniu metalu z gry tz = g+1. gdzie g - przewaajca grubo cianki odlewu w milimetrach. W literaturze mona rwnie znale wiele innych zalenoci. Przy korzystaniu z dowolnego wzoru naley zawsze pamita, e czas zalewania nie moe by mniejszy ni praktycznie osigalny ze wzgldu na sprawno ludzi i urzdze do zalewania form. Zazwyczaj przyjmuje si, e jeeli obliczony czas zalewania byby mniejszy ni 4 s, to naley go powikszy do tej wartoci i przyj tz = 4 s. Czas zalewania wyznaczony z zalenoci empirycznych, takich jak podane powyej, na og jest poprawny z punktu widzenia przepuszczalnoci formy i lejnoci stopu (czasem mog wystpi kopoty z lejnoci staliwa i stopw aluminium). Naley jednak sprawdzi, czy nie zostay naruszone warunki wynikajce z minimalnej prdkoci podnoszenia si lustra metalu. Sprawdzenie czasu zalewania z warunku niedopuszczenia do przywierania warstw tlenkw do formy wykonuje si za pomoc zalenoci:

gdzie: Udop - dopuszczalna prdko czoa metalu (podnoszenia si lustra), Fk - pole przekroju poziomego wnki w krytycznym obszarze (zwykle najwiksze wystpujce w danym odlewie), m - masa odlewu, p gsto materiau odlewu. Sprawdzenie czasu zalewania z warunku niedopuszczenia do tworzenia wady strupa prowadzi si, korzystajc z zalenoci:

gdzie: mk - masa krytycznej czci odlewu (paskich poziomych cian znajdujcych si bezporednio pod grn powierzchni - sklepieniem wnki formy), tn - dopuszczalny czas ze wzgldu na napromieniowanie formy.

2.2.3. Obliczenie minimalnego przekroju ukadu wlewowegoMinimalny przekrj w caym ukadzie wlewowym jest przekrojem dawicym, decydujcym o prdkoci wpywania metalu do formy, a wic i o czasie jej wypenienia. Jego umiejscowienie w ukadzie zostanie omwione w punkcie dotyczcym geometrii ukadu wlewowego. Chwilowa wysoko supa metalu w trakcie zalewania jest rwna rnicy poziomw midzy poziomem metalu w zbiorniku wlewowym i w samym odlewie (rys. 1.14). Chwilow prdko uw wpywania metalu do odlewu mona obliczy ze wzoru:

gdzie: y - chwilowa wysoko supa metalu, g - przypieszenie ziemskie, j - wspczynnik oporu przepywu.

Naley zauway, e wysoko y do chwili podniesienia si poziomu metalu w odlewie do poziomu wleww doprowadzajcych jest staa i rwna H (metal wpywa swobodnie do wnki formy tak, jakby wypywa z otworu w dnie naczynia, skadajcego si ze zbiornika wlewowego, wlewu rozprowadzajcego i wleww doprowadzajcych). Po dojciu metalu w odlewie do poziomu WD, zmienia si y (maleje). Uwzgldniajc powysze, ze zwizku (1.7) mona otrzyma ostateczny wzr na obliczenie minimalnego przekroju ukadu wlewowego wymaganego w celu uzyskania danego czasu zalewania:

gdzie: Vog, Vod - objtoci czci odlewu znajdujce si, odpowiednio powyej i poniej poziomu wleww doprowadzajcych, hog - wysoko odlewu powyej poziomu wleww doprowadzajcych. Uzyskanie odpowiedniego czasu zalewania przez dobr minimalnego przekroju ukadu wlewowego jest moliwe tylko wwczas, gdy mona regulowa prdko wylewania metalu z kadzi lub innego urzdzenia zalewawczego w taki sposb, aby utrzymywa stay poziom metalu w zbiorniku wlewowym. W praktyce nie jest to atwe i moliwe tylko w przypadku specjalnego rodzaju kadzi, z ktrych metal jest wylewany

nie przez dzib, ale przez otwr wylewowy w dnie zamykany specjaln zatyczk. Kadzie zatyczkowe s powszechnie stosowane tylko do odlewania staliwa. Czas zalewania odleww staliwnych jest wic regulowany przez dobr rednicy otworu spustowego, przekroje za wszystkich kanaw ukadu wlewowego w formie musz by odpowiednio wiksze, aby byy w stanie odebra metal wypywajcy z kadzi.

2.2.4. Podstawowe typy ukadw wlewowychPrzy zalewaniu grawitacyjnym rozrnia si dwa podstawowe typy ukadw wlewowych: zamknite i otwarte. W ukadach wlewowych zamknitych, inaczej zwanych ukadami pod cinieniem (nie myli z ukadami do odleww cinieniowych!), minimalny przekrj, decydujcy o czasie zalewania, jest umieszczony na kocu systemu kanaw, przy samym odlewie. Oznacza to, e suma przekrojw wleww doprowadzajcych wynosi wanie Fnun- W takim ukadzie metal wypenia cakowicie przekroje wszystkich kanaw, std nazwa ukad zamknity. Ukady tego typu s stosowane do odleww ze stopw, w ktrych niebezpieczestwo dostania si zanieczyszcze powierzchniowych do wntrza odlewu i pozostania tam po zakrzepniciu nie jest grone. Dotyczy to gwnie stopw elaza, gdzie rnica gstoci midzy zanieczyszczeniami a stopem jest znaczna, temperatura kpieli za wysoka. W ukadach wlewowych otwartych, inaczej zwanych ukadami rozhermetyzowanymi, minimalny przekrj dawicy przepyw umieszcza si wczeniej, zazwyczaj na kocu wlewu gwnego lub na pocztku wlewu rozprowadzajcego. Zwikszajcy si dalej przekrj (w kierunku przepywu metalu) powoduje zwolnienie strugi i uspokojenie przepywu, sprzyjajce wypyniciu tlenkw na powierzchni. Metal po miniciu przekroju minimalnego pynie czsto nie wypeniajc caego przekroju kanau, std nazwa ukad otwarty. Ukady takie s w zasadzie drosze, gdy zwiksza si masa ukadu wlewowego, zmniejszajc tzw. uzysk odlewniczy, okrelany stosunkiem masy gotowego odlewu po usuniciu ukadu wlewowego i nadleww do masy caego metalu wlanego do formy. Jednak w przypadku wikszej liczby odleww w jednej formie (powyej 6 - 8), ukady otwarte s ju opacalne. Ponadto zwikszajce si stale wymagania jakociowe odnonie do odleww powoduj, e coraz czciej stosuje si ukady otwarte do eliwa nawet przy mniejszej liczbie odleww w formie. Najczciej s one stosowane do odleww ze stopw lekkich - atwo utleniajcych si i o niszej temperaturze odlewania.

2.2.5. Geometria ukadw wlewowych do odlewania eliwa w formach piaskowych o poziomej powierzchni podziauPrawidowe uksztatowanie ukadw wlewowych dla odleww z eliwa sferoidalnego jest okrelone wieloma reguami, ktre zostan tu szczegowo przedstawione. Ukady wlewowe dla odleww z eliwa szarego powinny by w zasadzie takie same - niewielkie rnice zostan omwione na kocu tego punktu.

Na rysunku 1.15 pokazano prawidowy ksztat zbiornika wlewowego. Naley wyranie zaznaczy, e stosowane niekiedy inne rozwizania, np. zblione ksztatem do stokowatego lejka pokazanego na rys. 1.13, nie s dobre w przypadku odlewania eliwa, gdy powoduj powstawanie rozpryskw przy wlewaniu metalu, niekorzystnie wpywajcych na jako odlewu. Na rysunku 1.16 przedstawiono trzy ksztaty wlewu gwnego.

Przyjcie konkretnego rozwizania zaley od stosowanego w danej odlewni sposobu wykonywania wlewu gwnego w grnej powce formy. Wszystkie wlewy gwne powinny mie przekroje poprzeczne koowe, natomiast przyjcie rodzaju zbienoci zaley od zastosowanej metody jego formowania. Minimalny (lub stay) przekrj wlewu gwnego powinien by wikszy od minimalnego przekroju ukadu

wlewowego (przekroju dawicego) Fmin, aby nie stwarza on dodatkowego dawienia. Pole przekroju tego wlewu wyznacza si ze wzoru:

gdzie wysokoci H i h pokazano na rys. 1.16. Zatem, o powikszeniu przekroju wlewu gwnego w stosunku do Fmin decyduje uamek H/h. W przypadku wlewu gwnego zbienego ku doowi, kiedy jego minimalny przekrj jest na dole, powikszenie to jest mniejsze, gdy za minimalny przekrj wlewu gwnego znajduje si w grnej jego czci - wiksze. Prawidowo ta, jak rwnie sama zaleno (1.9), wynikaj z analizy cigoci strugi metalu we wlewie gwnym. Naley doda, e wlew gwny zbieny ku grze ma najwiksz objto (dla danego Fmin), a wic jest najgorszym rozwizaniem z punktu widzenia uzysku odlewniczego. Bezporednio pod wlewem gwnym umieszcza si dodatkowy zbiorniczek - podstaw wlewu, ktrego zadanie polega na niedopuszczeniu do wystpienia niekorzystnych zjawisk pokazanych na rys. 1.17a. W rezultacie gwatownej zmiany kierunku przepywu nastpuje zwenie strugi metalu, a spowodowany tym wzrost prdkoci powoduje lokalny spadek cinienia cieczy, zgodnie z prawem Bernoulliego. W efekcie nastpuje zasysanie powietrza z porw masy formierskiej do wntrza strugi metalu, pogarszajc jako odlewu. Dodanie zbiorniczka, o ktrym mowa, powoduje zmian ksztatu linii prdu (rys. 1.17b) i uniknicie tych niekorzystnych zjawisk.

Zbiorniczek powinien mie ksztat pokazany na rys. 1.18 i 1.19, o wymiarze a zawartym w granicach od 2d, (oznaczenie wg rys. 1.15) do wysokoci wlewu rozprowadzajcego w jego najwyszym miejscu.

Jak wida na rys. 1.18 i 1.19, ksztat i wymiary wlewu rozprowadzajcego (WR) oraz wleww doprowadzajcych (WD) rni si zasadniczo w ukadach wlewowych zamknitych i otwartych. Mimo to, oba typy ukadw wlewowych maj pewne cechy wsplne. Jedn z nich jest stosowanie przeduenia wlewu rozprowadzajcego poza odejcie ostatniego wlewu doprowadzajcego. Wie si to z deniem do uniknicia wpywania zanieczyszcze, znajdujcych si na czole strugi metalu pyncego we wlewie rozprowadzajcym, do wlewu doprowadzajcego. Struga ta dopywa wwczas najpierw do koca wlewu rozprowadzajcego, a nastpnie stosunkowo czysty metal jest pobierany przez wlewy doprowadzajce z boku wlewu rozprowadzajcego. Naley zawsze pamita, e ksztat wlewu rozprowadzajcego w kierunku przepywu metalu powinien by prostoliniowy - nie naley stosowa WR zakrzywionych nawet wwczas, gdy odlew ma ksztat okrgy (rys. 1.20), co spotyka si w niektrych podrcznikach.

Zakrzywienie toru strugi metalu we wlewie rozprowadzajcym wie si bowiem z wywieraniem na metal siy bocznej (dorodkowej) przez cianki kanau, co powoduje niepotrzebne zawirowania strugi i sprzyja dostawaniu si zanieczyszcze do wntrza metalu w odlewie. Denie do moliwie najmniejszego zakcania przepywu metalu w ukadzie wlewowym powoduje, e nie stosuje si obecnie wleww rozprowadzajcych o stopniowanym przekroju, zmniejszajcym si w miar odpywania z niego kolejnych strug metalu do wleww doprowadzajcych, przedstawianych w starszych rozwizaniach. Konkretne zalecenia dotyczce geometrii i konfiguracji wleww rozprowadzajcych i doprowadzajcych, przedstawione poniej dla obu typw ukadw, wynikaj z dugiej praktyki odlewniczej popartej pewnymi rozwaaniami teoretycznymi. Podstawowe wymiary ukadw wlewowych zamknitych Pole przekroju wlewu rozprowadzajcego F, musi zawiera si w granicach (oznaczenia wymiarw wystpujce we wzorach (1.10)-(1.14) podano na rys. 1.18)

gdzie: mr - masa odlewu (odleww) zalewanych przez projektowany odcinek WR, mFmin - masa odlewu (odleww) znajdujcych si za minimalnym przekrojem ukadu wlewowego. Proporcje przekroju wlewu rozprowadzajcego:

Rozwizanie WR z zagbieniem kocowym jest zalecane, gdy nie mona zastosowa odpowiednio dugiego kocowego odcinka WR (za ostatnim wlewem doprowadzajcym). Wymagane minimalne dugoci poszczeglnych odcinkw wlewu rozprowadzajcego wynosz:

Warunek sumy przekrojw wleww doprowadzajcych:

gdzie ndo - liczba wleww doprowadzajcych dla jednego odlewu. Proporcje wymiarw poprzecznych wleww doprowadzajcych:

Dugo wlewu doprowadzajcego musi by co najmniej rwna jego szerokoci. Podstawowe wymiary ukadw wlewowych otwartych Szeroko wlewu rozprowadzajcego (oznaczenia wymiarw wystpujce we wzorach (1.15)-(1.20) podano na rys. 1.19)

Wysoko minimalnego przekroju wlewu rozprowadzajcego (przekrj dawicy) wynosi:

Pocztkowa wysoko wlewu rozprowadzajcego:

Wysoko wlewu rozprowadzajcego za ostatnim wlewem doprowadzajcym wynosi:

Wymagane minimalne dugoci poszczeglnych odcinkw wlewu rozprowadzajcego s analogiczne jak dla ukadw zamknitych. Warunek sumy przekrojw wleww doprowadzajcych:

Proporcje midzy wymiarami przekroju poprzecznego wleww doprowadzajcych:

Dugo wlewu doprowadzajcego musi by co najmniej rwna jego szerokoci. Ukady wlewowe dla odleww z eliwa szarego (z grafitem patkowym) zaprojektowane wg podanych zalece s prawidowe. Jednak ze wzgldu na nieco lepsz lejno eliwa szarego odejcie od podanych zasad projektowania nie musi oznacza le dziaajcego ukadu wlewowego. Niektre stosowane w praktyce rozwizania mog okaza si bardziej ekonomiczne. Przykadem jest tzw. ukad wlewowy deszczowy uywany z powodzeniem dla eliwnych odleww typu pionowych tulei, ktrego budow pokazano na rys. 1.21.

Innym przykadem prawidowej, cho odmiennej konstrukcji ukadu wlewowego dla odleww z eliwa szarego lub sferoidalnego, s ukady wlewowe stosowane w formach piaskowych o pionowej powierzchni podziau (np. wykonywanych na urzdzeniach typu Disamatic). W tym przypadku, podobnie jak to ma miejsce w kokilach o pionowej powierzchni podziau, cay ukad wlewowy znajduje si w paszczynie podziau formy (rys. 1.22). Na dobr przekrojw takiego ukadu ma wpyw wanie jego pionowe usytuowanie. Jeeli w formie jest wykonywanych wicej odleww umieszczonych na rnych poziomach, to przekroje wlewu rozprowadzajcego malej w kierunku ku doowi, z uwagi na zwikszajc si prdko przepywu metalu.

2.2.6. Geometria ukadw wlewowych do odlewania stopw aluminium w kokilachNa rysunku 1.23 pokazano trzy typowe rozwizania ukadw wlewowych dla odleww kokilowych ze stopu aluminium. Z uwagi na zapewnienie spokojnego przepywu metalu w formie zalewanie z gry nie jest zalecane.

Przykadowe, typowe wartoci stosunku przekrojw poszczeglnych elementw ukadu wlewowego, ktry jest ukadem otwartym, wynosz: Fd:Fr:Fmin = 2:1, 3:1 lub Fd:Fr:Fmin = 3:2:1 lub Fd:Fr:Fmin = 4:4:1

Pokazane na rys. 1.23 rozwizania uwzgldniaj rwnie nadlewy (grny otwarty i boczny pkulisty zamknity), ktre razem z kanaami wlewowymi tworz tzw. ukad wlewowo-zasilajcy.

2.2.7. Geometria ukadw wlewowych do odlewania staliwaZgodnie z uwagami podanymi w punkcie dotyczcym minimalnego przekroju ukadu wlewowego, ukad wlewowy dla staliwa nie odgrywa roli regulatora szybkoci zapeniania formy. Na budow ukadw wlewowych dla odleww staliwnych maj zasadniczy wpyw nastpujce czynniki: konieczno atwego odebrania kadej iloci metalu wypywajcego z kadzi zatyczkowej, stosunkowo dua czysto stopu pobieranego spod powierzchni lustra metalu w kadzi zatyczkowej (w przeciwiestwie do kadzi przechylnych, gdzie razem z metalem do formy jest wylewany pywajcy na powierzchni uel), niewielka lejno staliwa.

Powoduj one, e kanay wlewowe ksztatuje si w postaci moliwie najprostszej, czsto jako okrge przewody odtwarzane w specjalnych ksztatkach ceramicznych, z agodnie zaokrglonymi ukami, w przypadku wikszych odleww dochodzce do wnki formy na kilku poziomach. Zbiornik wlewowy ma na og ksztat zwykego stokowatego lejka. Charakterystyczny przykad takiego ukadu pokazano na rys. 1.24.

2.2.8. Filtry w ukadzie wlewowymWysokie wymagania wytrzymaociowe i jakociowe stawiane odlewom powoduj, e w ostatnim czasie coraz bardziej rozpowszechnia si stosowanie filtrw do zatrzymywania zanieczyszcze, ktre niesie cieky metal pyncy przez ukad wlewowy. Nowoczesne filtry maj zazwyczaj ksztat porowatych pytek kwadratowych, rzadziej okrgych, o gruboci od kilkunastu do dwudziestu kilku milimetrw, wykonanych z aroodpornego materiau ceramicznego. Stosowane s dwa typy kanalikw (porw) w filtrze: prostoliniowe (o kierunku prostopadym do powierzchni pytki, a rwnolegym do kierunku przepywu metalu) o jednakowym przekroju na caej dugoci kanalika, czyli gruboci filtra, o ksztatach nieregularnych, tworzcych gbczast struktur materiau filtra (rys. 1.25). Drugi typ filtrw jest uznawany na og za bardziej skuteczny.

Filtry umieszcza si w ukadzie wlewowym, najczciej we wlewie rozprowadzajcym. Przykadowe sposoby usytuowania filtrw pokazano na rys. 1.26. Interesujcym rozwiniciem zastosowania filtrw jest tzw. system bezporedniego zalewania, pokazany schematycznie na rys. 1.27. Skada si on z filtra ceramicznego o strukturze porowatej ziarnistej, umieszczonego na dnie zbiorniczka wykonanego z ceramicznego materiau izolujcego. Cao umieszcza si w formie nad grn powierzchni odlewu, na og w miejscu gdzie jest przewidywany nadlew. Metal wlewany jest do zbiorniczka, skd przepywa przez filtr do odlewu, ulegajc oczyszczeniu. Jego burzliwy przepyw, wywoany wlewaniem z yki lub kadzi, ulega uspokojeniu przy przepywie przez filtr, zmieniajc charakter na laminarny, co pokazano schematycznie strzakami na rys. 1.27.

W przedstawionym systemie staje si zbdny cay ukad wlewowy, zbiorniczek za odgrywa nie tylko rol zbiornika wlewowego, lecz rwnie nadlewu. Upraszcza to znacznie wykonanie formy i istotnie zwiksza uzysk odlewniczy, co, obok polepszenia jakoci metalu w odlewie w wyniku filtracji, moe przynie rwnie znaczce efekty ekonomiczne. System bezporedniego zalewania znajduje zastosowanie przy odlewaniu kokilowym stopw aluminium, a take magnezu i niektrych stopw miedzi.

3.1.1. Odbieranie ciepa od odlewu przez formZakrzepnicie odlewu wymaga odebrania od niego znacznej iloci ciepa. Proces ten mona podzieli na dwa etapy: 1) ostudzenie cieczy od temperatury zalewania do temperatury pocztku krzepnicia przez odebranie tzw. ciepa przegrzania, oraz 2) krzepnicie metalu w staej temperaturze lub w zakresie temperatury, z czym wie si konieczno odebrania ciepa krzepnicia. Intensywno odbierania ciepa od odlewu, a wic i czas jego krzepnicia, zaley w oczywisty sposb zarwno od geometrii i wasnoci cieplnych materiaw odlewu i formy, jak i warunkw wymiany ciepa na styku odlewu z form oraz, w znacznie mniejszym stopniu - formy z otoczeniem. Na rysunku 1.28 przedstawiono schematycznie rozkad temperatury na przekroju odlewu i formy w trakcie krzepnicia odlewu. Zgodnie z prawami wymiany ciepa, spadki temperatury na poszczeglnych elementach tego ukadu s proporcjonalne do oporw cieplnych tych elementw.

Stosunkowo wyrwnana temperatura panuje w obrbie ciekej czci odlewu, gdy nastpuje tam jej wyrwnywanie na drodze konwekcji, natomiast inne opory cieplne i zwizane z nimi spadki temperatury zmieniaj si w szerokich granicach. Naley zwrci szczegln uwag na istot i rol warstewki izolujcej wystpujcej midzy odlewem a form. Tworzy j mog: gazy wypeniajce mikronierwnoci powierzchni formy, w ktre nie wnika cieky metal, szczelina gazowa powstajca w wyniku skurczu odlewu powodujcego jego odsuwanie si od formy na niektrych powierzchniach, tlenki i inne zanieczyszczenia na powierzchni odlewu, specjalne pokrycia izolacyjne nanoszone celowo na powierzchni wnki formy, stosowane zazwyczaj do form metalowych. Warstewka ta, pomimo swej niewielkiej gruboci, stanowi moe niekiedy znaczny opr cieplny, decydujcy o szybkoci krzepnicia odlewu. Obliczenia i pomiary rzeczywistych czasw krzepnicia odleww w ksztacie paskich pyt wskazuj, e czas ten zaley od gruboci odlewu w nastpujcy sposb:

gdzie: g - grubo pyty (lub grubo warstwy zakrzepej), a, b i c - stae zalene od warunkw wymiany

ciepa i wasnoci materiaw. Zakadajc, e temperatura formy jest utrzymywana na staym poziomie, a temperatura zalewania niewiele rni si od temperatury krzepnicia stopu, staa c=0, natomiast wykadnik b przyjmuje nastpujce wartoci: w przypadkach gdy (Top-Tfw ) aFe), to osignicie temperatury takiej przemiany w rnym czasie przez rne czci odlewu jest rdem dodatkowych napre cieplnych, zwanych napreniami fazowymi. Hamowanie skurczu i powstawanie napre w odlewach podczas jego stygnicia jest istotne z uwagi na: naprenia mogce doprowadza do uszkodzenia samego odlewu, powstawanie znacznych sil zaciskajcych odlew w formie, co utrudnia konstrukcj form, zwaszcza metalowych, pozostajce po ostygniciu naprenia wasne, ktre mog obnia wytrzymao odlewu i prowadzi do jego deformacji. Rozwamy najprostszy przykad powstawania napre typu skurczowego. Odlew w ksztacie belki zakoczonej dwoma wystpami jest wykonywany w sztywnej i nie zmieniajcej wymiarw formie (rys. 1.78). Skurcz swobodny odlewu, jaki nastpiby po zakrzepniciu, gdyby nie byo oporu formy, wynosi:

gdzie: lo - dugo odcinka odlewu midzy wystpami, a - wspczynnik rozszerzalnoci liniowej materiau odlewu, T- temperatura w danej chwili, Ts - temperatura solidus.

Cakowite hamowanie skurczu powoduje, e odlew ten jest poddany rozciganiu, ktrego warto wzgldna wynosi:

Jeeli materia odlewu bdzie doznawa odksztace w zakresie sprystym, to warto rozcigajcego naprenia wzdunego (rys. 1.78) mona obliczy z zalenoci:

gdzie E - modu Younga, malejcy wraz ze wzrostem temperatury. W rzeczywistoci w stygncym odlewie wystpuj zazwyczaj znaczne odksztacenia niespryste, co wie si z wysokimi temperaturami, w jakich znajduje si odlew bezporednio po zakrzepniciu. Generalnie zakres temperatury, w jakim powstaj naprenia w odlewach zwizane z procesem technologicznym, jest bardzo szeroki i zawiera si midzy temperatur pokojow, a temperatura topnienia, a cilej temperatur solidus materiau odlewu.

Na rysunku 1.79 pokazano charakterystyczne krzywe rozcigania typowego stopu odlewniczego otrzymane przy staej prdkoci rozcigania w rnych temperaturach. Charakterystyczn zaleno maksymalnego naprenia przenoszonego przez materia od temperatury przedstawiono na rys. 1.80. To maksymalne naprenie naley rozumie jako naprenie pynicia w przypadku odksztace

plastycznych lub lepkich (jak w przypadku krzywych dla temperatur T3 i T4 na rys. 1.79) albo wytrzymao przy pkaniu kruchym lub poprzedzonym odksztaceniami plastycznymi (Jak w przypadku krzywych dla temperatur T1 i T2 na rys. 1.79). W przedziale midzy temperatur Tp a temperatur Ta=0,5 Ts (wszystkie temperatury w skali bezwzgldnej) zmiany wasnoci mechanicznych stopw s niewielkie (std nazwa zakres atermiczny), ewentualne odksztacenia plastyczne za s nieczue na prdko odksztacenia. Dla wielu typowych stopw odlewniczych odksztacenia plastyczne, jakie wystpi przed pkniciem prbki, s stosunkowo mae. Powyej temperatury Ta obserwuje si wystpowanie coraz wyraniejszych procesw odksztace lepkoplastycznych aktywowanych cieplnie, czyli procesw wysokotemperaturowego pezania. Ewentualne pknicie materiau jest zwykle poprzedzone znacznymi odksztaceniami trwaymi, przejawiajcymi si m.in. znacznym przeweniem zerwanej prbki. Przy rozciganiu prbki po nieznacznym nawet przekroczeniu temperatury Ts obserwuje si drastyczn zmian wasnoci materiau. Przeom prbki wykazuje charakter wybitnie kruchy, tzn. przebiega po granicach ziaren i bez ladw przewenia. Warto wytrzymaoci (maksymalnego naprenia przenoszonego przez prbk) jest bardzo maa, co najmniej piciokrotnie mniejsza ni wytrzymao wykazywana tu poniej temperatury Ts. Przyczyn tych zjawisk jest to, e po przekroczeniu temperatury solidus pojawiaj si w materiale warstewki cieke, ktrych wytrzymao wynika tylko z lepkoci cieczy, zniszczenie prbki za polega na rozdzieleniu dwch jej czci wzdu takiej warstewki.

4.2. Pknicia na gorcoJeeli w odlewie nastpuje silne hamowanie skurczu przez form, jak w przypadku pokazanym na rys. 1.78, wwczas pod koniec krzepnicia, tj. w temperaturze nieco wyszej od Ts moe doj do pknicia odlewu. W odlewie pokazanym na rys. 1.81 wskutek bardzo sabych wasnoci mechanicznych warstewek ciekych A i B, zakrzepe czci odlewu bd si prawie swobodnie kurczy, grubo warstewek ciekych za bdzie si powiksza tak, aby cakowita dugo odlewu pozostaa niezmieniona. Zatem sumaryczny przyrost gruboci warstewek ciekych bdzie rwny skurczowi swobodnemu odlewu, a wic przyrost gruboci jednej warstewki Dg mona obliczy z zalenoci:

gdzie: a - wspczynnik rozszerzalnoci liniowej, DT- spadek temperatury czci zakrzepej odlewu, L dugo czci odlewu o cakowicie zahamowanym skurczu, n - liczba warstewek ciekych.

Jeeli powikszaniu si gruboci (a wic i objtoci) warstewek ciekych nie bdzie towarzyszyo uzupenianie ich ciekym metalem, tj. odpowiednie zasilanie, wwczas moe doj do utraty cigoci rozdzielenia materiau odlewanego w miejscu takiej warstewki. Po ostygniciu i usuniciu odlewu z formy obserwuje si w nim pknicie, zwane pkniciem na gorco. W skrajnym przypadku przechodzi ono na wskro przekroju odlewu, co oznacza jego cakowite przeamanie. Ze wzoru (1.46) wynikaj praktyczne wnioski dotyczce warunkw pojawienia si omawianych pkni. Po pierwsze, wystpi one raczej w chwili, gdy liczba warstewek n bdzie niewielka, a wic pod koniec krzepnicia, czyli w miejscu najgortszym. Na rysunku 1.81 bardziej naraon warstewk bdzie warstewka B, znajdujca si w pobliu miejsca stanowicego lokalny wze cieplny wyniky z lokalnego przegrzania naroa formy. Tego rodzaju miejsca s typowe dla wystpowania pkni na gorco. Po drugie, skonno do tworzenia pknicia bdzie tym wiksza, im wiksza jest dugo L tej czci odlewu, w ktrej wystpuje silne hamowanie skurczu. O wystpieniu pkania na gorco decyduj oczywicie take wasnoci materiau: fizyczne (wspczynnik a), mechaniczne (wytrzymaoci cieczy, zdolno do odksztace plastycznych i sztywno czci zakrzepej), jak rwnie technologiczne (zdolno do zasilania). Opracowano wiele prb oceniajcych wzgldn skonno do pkni na gorco poszczeglnych materiaw. Na rysunku 1.82 pokazano zasad, na ktrej opiera si jedna z ciekawszych prb. Przedstawiony odlew wykonuje si w niepodatnej formie metalowej. Zgodnie z zalenoci (1.46), dusze ramiona bd sprzyjay tworzeniu si pkni. Po ostygniciu odlewu sprawdza si, czy i w ktrym ramieniu wystpio pknicie, najwiksza za dugo ramienia, w ktrym go nie zaobserwowano, okrela stopie odpornoci badanego stopu na pkanie na gorco.

Pknicia na gorco s grone w formach niepodatnych, a wic przy odlewaniu stopw nieelaznych w kokilach i formach cinieniowych, ale take w odlewach staliwnych odlewanych w bardziej sztywnych formach piaskowych. Obserwuje si, e stopy o szerokim zakresie temperatury krzepnicia s o wiele bardziej naraone na pknicia na gorco ni stopy krzepnce w wskim zakresie temperatury, np. zblione do eutektycznych.

4.3. Mechaniczne oddziaywania odlewu na form metalowPo zakrzepniciu odlewu nastpuje jego zaciskanie si na rdzeniach lub wystpach formy. Midzy odlewem a danym elementem wytwarza si zatem rodzaj poczenia skurczowego i przy rozsuwaniu obu elementw naley pokona si oporu typu tarciowego. W zalenoci od konstrukcji formy dokonuje tego albo urzdzenie wycigajce rdze z odlewu, albo napdzajce pyt wypychaczow (patrz rys. 1.10), albo rozsuwajce powki formy. Projektujc takie urzdzenie naley oczywicie zna warto siy oporu, ktra w praktyce moe wynosi nawet setki kiloniutonw. Na podstawie praktycznych obserwacji stwierdzono, e dla typowych szybkoci studzenia odleww, w przypadku cakowitego hamowania skurczu odlewu, np. w ksztacie belki pokazanej na rys. 1.78, warto jednoosiowych napre rozcigajcych mona wyrazi tylko w funkcji temperatury odlewu (rys. 1.83). Si oporu usuwania takiego odlewu mona obliczy z zalenoci:

gdzie: P - sia zaciskajca wystpy formy, s - naprenie skurczowe, A - pole przekroju poprzecznego belki, m - wspczynnik tarcia midzy odlewem a form.

Przykadowe obliczenie siy potrzebnej do usunicia odlewu przebiega nastpujco. Dla typowej temperatury usuwania odleww ze stopu Al, wynoszcej 400 C, z wykresu odczytujemy s=24 MPa. Zakadajc grubo odlewu 10 mm i szeroko cianki 100 mm, pole przekroju poprzecznego A=0,001 m2. Typowy dla tych warunkw wspczynnik tarcia m=0,5. Po podstawianiu tych wartoci do wzoru (1.47), otrzymuje si warto siy oporu usuwania odlewu T=12 kN.

4.4. Naprenia wasne powstajce w procesie wykonania odlewuMechanizm powstawania napre cieplnych, ktre pozostaj w odlewie po procesie produkcyjnym w postaci napre wasnych, najatwiej jest przeledzi na przykadzie odlewu w ksztacie symetrycznej kraty, pokazanej na rys. 1.84a. Skada si ona z trzech rwnolegych prtw, z ktrych dwa zewntrzne s ciesze od prta rodkowego, a wszystkie trzy s poczone na obu kocach sztywnymi poprzeczkami.

Wykresy stygnicia prtw cienkich i grubego pokazano na rys. 1.84b. Prty cienkie stygn szybciej, jednak ich skurcz jest hamowany przez element gruby, stygncy w pocztkowym okresie wolniej. W rezultacie w pierwszej fazie stygnicia w prtach cienkich pojawiaj si naprenia rozcigajce (podobnie jak w odlewie, w ktrym skurcz jest hamowany przez form), element gruby za jest poddany ciskaniu (rys. 1.84c). Po dojciu temperatury elementw cienkich do temperatury pokojowej Tp ich temperatura nie zmienia si, natomiast jeszcze stygnie element gruby. Teraz jego skurcz jest hamowany przez prty cienkie i sytuacja odwraca si: w elemencie grubym pojawiaj si naprenia rozcigajce, w elementach cienkich za ciskajce. Stan taki pozostaje w odlewie i jest charakterystyczny dla wszystkich napre wasnych wywoanych nierwnomiernym stygniciem, tzn. w czciach stygncych szybciej naprenia wasne s dodatnie, w czciach za stygncych wolniej - ujemne. Oczywicie w kadej chwili opisanego procesu musi by speniony warunek rwnowagi si w elementach ciskanych i rozciganych:

gdzie: Ac - suma przekrojw prtw cienkich. Ag - pole przekroju elementu grubego, Oc i a, odpowiednie naprenia. Naley rwnie zauway, e gdyby w pocztkowej fazie stygnicia w obu elementach powstaway tylko odksztacenia spryste, to naprenia wasne wyniosyby zero; wynika to z bardziej szczegowej analizy przebiegu powstawania tego typu napre, ktr znale mona w podrcznikach mechaniki. W przypadku odleww nie naley oczekiwa takiej sytuacji z uwagi na wasnoci mechaniczne materiaw odlewanych w wysokich temperaturach, w ktrych nastpuje pierwsza faza stygnicia (patrz rys. 1.80), sprzyjajcych znacznym odksztaceniom lepkoplastycznym. Naprenia cieplne powstaj przy stygniciu waciwie kadego odlewu, gdy zawsze warstwa powierzchniowa dowolnego przekroju stygnie szybciej, rodek za wolniej. Przedstawiono to na rys. 1.85a, gdzie pokazano odlew w ksztacie prostej pyty z zaznaczonymi na przekroju odlewu rozkadami szybkoci studzenia w pocztkowej fazie stygnicia oraz napre wasnych, jakie pozostan po cakowitym ostygniciu.

Warto zwrci uwag na skutki obecnoci napre wasnych (rys. 1.85a). Jednym z nich jest sytuacja, jaka powstaje, gdy podda si obrbce skrawaniem jedn powierzchni odlewu, jak to pokazano na rys. 1.85b. Usunicie warstwy powierzchniowej przenoszcej naprenia ciskajce spowoduje zachwianie rwnowagi si wewntrznych w pycie, ktre zawsze musz speni warunek:

gdzie: s, y i g - jak na rys. 1.85a, s - szeroko pyty (w kierunku prostopadym do rysunku). W rezultacie pyta wygnie si w sposb pokazany na rys. 1.85b pomimo e powierzchnia skrawana bya idealnie paska. Jedynym rodkiem, dziki ktremu mona unikn tego zjawiska, jest usunicie napre wasnych przed obrbk skrawaniem metod wyarzania lub starzenia (patrz p. 7.4.2). Obecno napre wasnych w odlewach moe mie rwnie znaczenie dla wytrzymaoci danego elementu, gdy naprenia wasne dodaj si lub odejmuj z napreniami pochodzcymi od obcie zewntrznych przykadanych w czasie pracy. Ze wzgldu na to, e w warstwach powierzchniowych naprenia wasne s z zasady ciskajce, ich obecno do czsto wpywa korzystnie na wytrzymao odlewu, zwaszcza wykonanego z eliwa, w ktrym wytrzymao na rozciganie jest mniejsza ni wytrzymao na ciskanie.