TE1 – slévání 1

Ing. Aleš HERMAN, Ph.D.

/u12133

Obsah přednášek:

1. Teoretická příprava, fyzikální, chemické a další aspekty technologie slévání

2. Vybrané metody výroby forem a odlévání,

slitiny neželezných kovů 3. Litiny a oceli

Obsah 1. přednášky:

• Tavitelnost, tekutost a zabíhavost slévárenských slitin • Interakce tekutých kovů s formou a plyny, odměšování • Objemové změny při chladnutí a tuhnutí • Vznik staženin, pnutí a deformací • Vznik trhlin, prasklin • Tuhnutí odlitků, zásady nálitkování, stanovení velikosti nálitků • Zásady konstrukce odlitků • Konstrukce a výpočet vtokových soustav

Vlastnosti odlévaných kovů a slitin:

• fyzikální – stavba hmoty (hustota, měrné teplo, TT, skupenské teplo, tep. a el. vodivost, teplotní roztažnost)

• chemické – odolnost proti určitému prostředí (korozní, atmosféra, vyzdívka pece, …)

• mechanické – pevnost v tahu, tlaku, střihu, ohybu, tažnost, tvrdost, mez únavy, …

• slévárenské – „slévatelnost“ – schopnost tvořit zdravý odlitek bez vad

Slévárenské vlastnosti: • tavitelnost • tekutost • zabíhavost • interakce s formou • rozpustnost plynů • objemové změny • odměšování – oddělování různých chemických

složek slitiny při tuhnutí – nehomogenita – dendritické (mezikrystalické) – pásmové (vrstevnaté, makroskopické)

Slévárenské vlastnosti závisí na:

• vlastnostech slitiny – chemické složení, obsah nečistot, TL a TS, fyz. vlastnosti atd.

• vlastnostech formy – pevnost, prodyšnost, zrnitost FS, fyzikální vlastnosti atd.

• vlastnostech prostředí • podmínkách lití a chladnutí • podmínkách styku kovu s formou • konstrukci odlitku

Tavitelnost Schopnost kovů a slitin přecházet z tuhého do kapalného skupenství, tvořit homogenní taveniny, udržet si dané chemické složení a dosáhnout požadovaný stupeň čistoty. Tavitelnost hodnotíme podle: vysoká: (Fe, Ni) Ti • teploty tavení střední: (Mg, Al) Cu nízká: Zn, Pb, Sn • spotřeby tepla k natavení • pohlcování a rozpouštění plynů • oxidace • reakce s pecní vyzdívkou • odpařování složek • odměšování složek • tvoření vměstků

Slitina Licí teplota °C

Slitina titanu 1850 – 2000

Uhlíkové oceli 1500 – 1600

Legované oceli 1450 – 1700

Bílá litina 1300 – 1400

Šedá litina 1250 – 1350

Slitiny mědi 950 – 1250

Slitiny hliníku 680 – 750

Tepelné vlastnosti vybraných materiálů

Meze tekutosti v rovnovážném diagramu

Tekutost – vnitřní tření (převrácená hodnota viskozity) – závisí také na obsahu vměstků a rozpuštěných plynů

Zabíhavost je vlastnost měřená při plnění forem - schopnost roztaveného kovu vyplňovat co nejdokonaleji slévárenskou formu. Závisí na poměru rychlosti pohybu slitiny k rychlosti jejího chladnutí. Zabíhavost je dána: • fyzikálními vlastnostmi kovu:

(hustota, tep. kapacita, skupenské teplo tání, viskozita, povrchové napětí, …) • chemickým složením (intervalové tuhnutí) • naplyněním, oxidickými blanami a dalšími vměstky • teplosměnnou plochou • licí teplotou • rychlostí proudění (tlakem) • materiálem a vlastnostmi formy

(teplota, odvod tepla, tep. kapacita, drsnost, …)

Zabíhavost

Zabíhavost slitin Fe – C:

Zkouška zabíhavosti dle ČSN:

Zkoušky zabíhavosti Curryho zkouška zabíhavosti:

Interakce taveniny s formou Vzájemné působení zahrnuje: • mechanické namáhání formy tlakem a dynamickým účinkem taveniny • erozivní působení taveniny na formu • pronikání taveniny do formovacího materiálu • tepelné působení taveniny na formu • chemické reakce mezi slitinou a formou • pronikání plynů z formy do kovu Tlak na formu p = h . ρ . g

smáčivá forma nesmáčivá forma indiferentní forma

Látka Teplota tavení (měknutí) °C

Živec 1150 – 1180

Přírodní křemenný písek 1200 – 1600

Šamot 1500 – 1600

Magnezit 1600 – 2200

Korund 1800 – 1900

Zirkon 2200 – 2300

Grafit 2300 – 2500

Teploty tavení (měknutí) ostřiv formovacích směsí mechanické Zapékání: tepelné

• plyny rozpuštěné • plyny vázané na rozpustné sloučeniny (křehké fáze) • plyny vázané na nerozpustné sloučeniny (vměstky) → příčina vzniku bublin • exogenní – zachycené při lití nebo z formy • endogenní – poklesem rozpustnosti Opatření: • vsázka bez vlhkosti, mastnoty, rzi, nátěrů atd. • omezit přístup vzduchu a spalin k hladině • vázat plyny metalurgickými procesy (přísady či probublání) • tavit co nejrychleji, bez víření, minimálně přehřívat • tavit ve vakuu či vakuovat v autoklávu • zajistit vysoký tlak při tuhnutí

Sklon k zachycování plynů

Vznik staženin a smrštění:

Q Q

Q

Q staženina

smrštění

pokles hladiny

forma

odlitek

ztuhlá vrstva za časový interval

tepelná osa

Součinitel objemového smrštění tekuté fáze

a)

b)

c)

αVL

Objemové změny během ochlazování tekuté fáze, tuhnutí a chladnutí

αVK Součinitel objemového smrštění tuhé fáze

Objemové změny během chladnutí a tuhnutí

Objemové změny oceli a grafitizující litiny při chladnutí

Objemové změny oceli a grafitizující litiny při chladnutí

Kompenzace stahování:

Tepelné uzly (tepelné osy) – místa, která tuhnou jako poslední, ve kterých hrozí vznik staženin.

→ dosazování – zajištění vyrovnání objemových změn v tepelných uzlech

→ nálitek – technologický přídavek = zásobárna tekutého kovu pro dosazování

→ nálitkování – návrh typu a umístění nálitků

Nálitek = zásobárna tekutého kovu

• vyrovnává objemové změny během chladnutí a tuhnutí kovu

• zajišťuje výslednou kvalitu odlitku z hlediska vnitřních vad způsobených obj. změnami

Podmínky správné funkce:

• doba tuhnutí nálitku delší než doba tuhnutí odlitku

• objem nálitku musí být větší než objem staženiny; do skončení tuhnutí odlitku musí zbýt zásoba tekutého kovu v nálitku

• musí být umožněno proudění kovu z nálitku do odlitku - odlitek musí tuhnout usměrněně, tj. od nejvzdálenějších míst k nálitkům, které mají být připojeny k nejvýše položeným částem odlitku.

Podle umístění ve formě: • otevřené • uzavřené

Podle polohy vzhledem k vtokové soustavě: • přilehlé • polopřilehlé • odlehlé

Podle polohy k odlitku: • Přímé (čelní) • boční

Podle tepelného ošetření: • zasypané izolačně • zasypané exotermicky • izolované • exotermické

Podle tvaru: • kruhové • oválné • eliptické • ledvinovité

Podle tlaku: • podtlakové • atmosférické • přetlakové

Typy nálitků:

Pnutí a deformace v odlitcích: • smršťování volné – lineární rozměry se zmenší

ve všech směrech

• smršťování brzděné mechanicky – odpor formy či jádra proti volnému smršťování

• smršťování brzděné tepelně – rozdílná rychlost tuhnutí a chladnutí různých částí odlitku

→ pnutí → deformace → poruchy celistvosti (trhliny, praskliny)

Pnutí v odlitcích Vnější Vnitřní

Tepelné Transformační

Dočasné Dočasné Dočasné Zbytkové Zbytkové Zbytkové

Vady vyvolané napětím: • deformace – vyvolány tepelným pnutím v oblasti pružných deformací • trhliny – poruchy souvislosti odlitků, které se začínají tvořit nad teplotou solidu, tj. za

vysokých teplot, působením tahových tepelných napětí po překročení meze pevnosti. Vznikají v místech nejmenší pevnosti, mají mezikrystalický (interkrystalický) průběh, drsný zoxidovaný povrch

Sklon ke vzniku trhlin zvyšují: • velké hodnoty meze pružnosti • velké hodnoty součinitele teplotní roztažnosti • velké teplotní rozdíly v odlitku • velké odpory proti smršťování odlitku • nečistoty po hranicích zrn

• praskliny – poruchy souvislosti odlitku vznikající za nízkých teplot v oblasti převážně pružných deformací, k jejich vzniku jsou náchylné křehké slitiny, mají transkrystalický průběh, čistý povrch

Tepelně brzděné smršťování

Mříže – tuhá konstrukce – malé deformace – velká pnutí

Další příklady

Odlitek typu „RÁM“ - výztuhy:

Napojení tvarů:

Pnutí a deformace vnesené smrštěním:

Kombinace jevů – rozdílné tloušťky a brzděné smrštění:

Náhrada šikmým tvarem:

Vtoková soustava: Systém kanálků pro přivedení tekutého kovu do dutiny formy.

• rozvod taveniny a její efektivní distribuce • podpora usměrněného tuhnutí • odloučení strusky a ev. nečistot Před návrhem VS musí být zajištěno: • usměrněné tuhnutí • co nejjednodušší model a co nejmenší počet jader • jádra ve spodní polovině formy • plochy odlitku s vysokými nároky na kvalitu a tenké stěny ve spodní

části formy v šikmé či svislé poloze • dělící plocha rovná, ne lomená

Výpočet vtokové soustavy: Nejčastěji dle Dieterta:

tL … optimální doba lití ms … surová hmotnost odlitku s … součinitel tloušťky stěny

Výpočet vtokové soustavy: • následuje stanovení a výpočet „řídicího průřezu“ (nejčastěji zářezy) • za dobu tL musí přivést taveninu o objemu: VO = mS/ρT • rychlost v řídicím průřezu:

• celková plocha řídicího průřezu:

• kde účinná výška vtokové soustavy je:

ρT … hustota taveniny

ocel 7000 kg.m-3 litiny 6500 kg.m-3 slitiny Al 2300 kg.m-3 slitiny Cu 8200 kg.m-3 μ … součinitel odporu vtokové soustavy pro složité soustavy μ = 0,3 pro běžné soustavy μ = 0,5 pro vrchní vtok μ = 0,8 h … výška jamky nad rovinou zářezů p ... výška odlitku nad osou zářezů c … celková výška odlitku

Výpočet vtokové soustavy: • následně se vypočtou ostatní průřezy vtokové soustavy: SK : SS : nSZ = 1,4 : 1,2 : 1 pro litinu SK : SS : nSZ = 1 : 1 : 1 pro ocel SK : SS : nSZ = 1,8 : 2 : 1 (1 : 2 : 4) pro slitiny Al SK : SS : nSZ = 1,7 : 1,5 : 1 pro slitiny Cu SK … průřez licího kůlu SS … součet průřezů rozváděcích kanálů (struskováků) nSZ … součet průřezů zářezů • z průřezů se vypočítají rozměry (a x b, resp. Ød) opět dle typu

kanálu a materiálu

Děkuji za pozornost.

Minitest

A 1. Definujte co to je

zabíhavost slévárenské slitiny

2. Jak vzniká trhlina v odlitku?

B 1. Definujte co to je

tekutost slévárenské slitiny

2. Jak vzniká prasklina v odlitku?

NEZAPOMEŇTE NA JMÉNO