Odlewanie metali – definicja, proces i rodzaje

Odlewanie metali to proces produkcyjny który obejmuje topieniu metali i wlewaniu ich do form do formowania określonych kształtów. Jest on stosowany głównie w przemyśle wytwórczym do produkcji różnych części, ale także w sztukach pięknych, takich jak rzeźbiarstwo i produkcja biżuterii. W 2020 r. wartość rynku odlewów metalowych z żeliwa i stali wyniosła 145,97 mld USD. Szacuje się, że rynek będzie rósł w tempie CAGR na poziomie 5,4% w latach 2021-2027..

Proces odlewania metali sięga ponad 7000 lat wstecz. Na przestrzeni wieków proces odlewania był stale rozwijany i udoskonalany. Dziś umożliwia on powtarzalną produkcję bardzo złożonych kształtów, z których niektóre byłyby niemożliwe do osiągnięcia za pomocą jakiejkolwiek innej metody.

Jest ona obecnie stosowana na tak szeroką skalę, że niemożliwe jest uniknięcie produktów odlewanych, niezależnie od rodzaju środowiska, w którym się Państwo znajdują. Niektóre przykłady odlewanych produktów metalowych obejmują bloki silnika, hydranty przeciwpożarowe, silniki, narzędzia, sygnalizację świetlną, włazy, rurociągi, zawory i różne elementy złączne.

W tym artykule przyjrzymy się procesowi odlewania metali, aby zrozumieć, czym on jest, poznać jego rodzaje i sposób działania.

Czym jest casting?

Proces odlewania umożliwia produkcję części metalowych o pożądanych kształtach poprzez podgrzewanie metali powyżej ich temperatury topnienia i wlewanie ciekłego metalu do form. Stopiony metal wpływa do pustych wnęk, dopasowując się do kształtu formy. Gdy metal ostygnie i zestali się, jest usuwany z formy i wysyłany do dalszej obróbki. W procesie obróbki końcowej poprawia się wykończenie i wygląd powierzchni oraz nakłada wszelkie niezbędne powłoki ochronne.

Odlewanie metali jest ograniczone jedynie wyobraźnią producenta. Może tworzyć bardzo skomplikowane kształty.

Odlewanie jest preferowane w przypadku złożonych geometrii, ponieważ jest bardziej opłacalne, a proces jest prosty w porównaniu do, na przykład, obróbki CNC w takich przypadkach. Ale jest również szeroko stosowany do najprostszych kształtów ze względu na szybki czas realizacji i dużą zdolność produkcyjną.

Nowoczesne metody odlewania mogą wytwarzać kształty zbliżone do siatki, znacznie zmniejszając konieczność gratowania i innych operacji po obróbce.

Proces odlewania metali

Powodem, dla którego proces odlewania metali stał się tak popularny, była jego nieodłączna prostota. Nie było potrzeby stosowania nowoczesnych maszyn ani skomplikowanych procesów w celu uzyskania gotowych produktów.

Dlatego nawet starożytne armie były w stanie wykorzystać go do produkcji broni i narzędzi. Jednak z biegiem lat postępy w odlewnictwie dodały kilka etapów do procesu, aby zapewnić, że produkty końcowe mają najlepszą możliwą jakość. Przyjrzyjmy się typowemu procesowi odlewania metali stosowanemu obecnie w przemyśle.

Krok 1: Tworzenie formy

Tworzenie formy jest prawdopodobnie najważniejszym krokiem w procesie odlewania metali. Jakość formy ma bezpośredni wpływ na jakość gotowego produktu. Metoda tworzenia formy różni się w zależności od rodzaju metalu, geometrii części, zdolności produkcyjnej i pożądanego wykończenia. Po ustaleniu tych specyfikacji można określić odpowiednie materiały i metodę.

Forma jest tworzona jako negatywowy odcisk pożądanej części. Jest ona wykonana z materiału, który nie tylko może wytrzymać wysokie temperatury stopionego materiału, ale także łatwo oddzielić się od stałej części metalowej po schłodzeniu. Niektóre materiały używane do produkcji form obejmują piasek, gips, szlam ogniotrwały i płyn ceramiczny. Niektóre formy mogą być używane tylko raz, podczas gdy inne mogą być używane wielokrotnie.

Krok 2: Topienie i wylewanie metalu

Metal odlewniczy jest podgrzewany powyżej temperatury topnienia, aby utworzyć swobodnie płynącą ciecz. Ciecz musi być w jak największym stopniu wolna od zanieczyszczeń i żużlu. Do formy można dodać elementy zapobiegające przedostawaniu się żużlu do odlewu. Roztopiony metal jest wlewany do wanny w górnej części formy. Upłynniony metal wchodzi następnie do wlewu (kanał pionowy) i jest rozprowadzany do wnęki formy przez prowadnice (kanały poziome) i zasuwy (wejścia do wnęk).

Metale o mniejszej lepkości mogą łatwo wpływać do odlewu i tworzyć drobniejsze wzory. Metale o wysokiej lepkości wykazują przepływ nieturbulentny, co pomaga wyeliminować wady, takie jak porowatość. Lepkość stopionego metalu ma również wpływ na szybkość krzepnięcia i siłę napędową.

Krok 3: Usunięcie metalowego odlewu z formy

W przypadku formy jednorazowego użytku, forma jest rozbijana w celu pobrania metalowego odlewu.

W przypadku odlewania w formach stałych istnieją różne sposoby otwierania formy w celu uzyskania dostępu i pobrania odlewu. Forma może być następnie ponownie wykorzystana w kolejnych partiach.

Krok 4: Wykończenie i obróbka końcowa

Odlew wyjęty z formy nie może być używany w obecnym stanie. Gdy stopiony metal jest wlewany do formy, ciekły metal we wlewach, kanałach, pionach i otworach wentylacyjnych również krzepnie. Wszystkie te dodatki są odcinane. Konieczne może być również wykończenie powierzchni.

Część jest następnie wysyłana do czyszczenia i powlekania, jeśli wymaga tego aplikacja.

Rodzaje procesów odlewania

Odlewy mogą być tworzone z różnych metali, takich jak aluminium, cynk, stal i żelazo. Każdy metal ma unikalne właściwości, co wymaga dostosowania techniki odlewania w celu uzyskania najlepszego możliwego produktu.

Technika odlewania zależy również od parametrów, takich jak skład stopu, geometria części, koszt, pożądana jakość końcowa, wielkość serii produkcyjnej i kryteria wydajności.

Procesy odlewania są podzielone na dwa sposoby: pierwszy to oparty na żywotności formy (odlewanie form podlegających i niepodlegających zużyciu), a druga to metoda wtrysku stopu (odlewanie grawitacyjne, ciśnieniowe lub próżniowe). W tym artykule podzielimy procesy odlewania na odlewy z form zużywalnych i nie zużywalnych.

Proces odlewania w formach zużywalnych

Procesy odlewania w formach zużywalnych wykorzystują formy, które mogą być użyte tylko raz. Formy te są wykorzystywane w różnych procesach odlewniczych, takich jak odlewanie w formach piaskowych, odlewanie w formach skorupowych i odlewanie metodą traconego wosku. Należy jednak zauważyć, że formy te nie zawsze muszą być wyrzucane po użyciu. Producenci mogą próbować odzyskać formy, gdy możliwa jest ich reforma.

Przyjrzyjmy się bliżej niektórym procesom wykorzystującym odlewy z form jednorazowych:

Odlewanie piaskowe

W odlewaniu piaskowym piasek jest wykorzystywany jako materiał formy. Piasek jest tani, łatwo dostępny, giętki i może wytrzymać wysokie temperatury lepiej niż większość materiałów. Zielony piasek (wilgotny) i suchy piasek są najbardziej odpowiednimi materiałami do procesu odlewania.

Tworzona jest forma piaskowa w negatywnym kształcie pożądanej części, a następnie wlewany jest do niej stopiony metal. Gdy metal zastygnie, piasek jest usuwany w celu odzyskania odlewu.

Odlewanie piaskowe jest jedną z najstarszych metod odlewania. Pozostaje ona bardzo popularna do dziś ze względu na jej prostotę, wszechstronność i przystępną cenę.

Odlewanie piaskowe może wytwarzać produkty o rozmiarach od kilku centymetrów do kilkudziesięciu metrów. Produkty mogą ważyć zaledwie 75 g lub nawet kilka ton.

Odlewanie piaskowe nie zapewnia jednak najlepszego wykończenia powierzchni i dlatego jest bardziej odpowiednie dla większych produktów, które można później udoskonalić w celu uzyskania gładszego wykończenia.

Odlewanie gipsowe to rodzaj metody odlewania piaskowego, w której do budowy formy zamiast piasku używa się gipsu.

Shell Moulding

Formowanie skorupowe to rodzaj procesu odlewania w piasku. Jednak zamiast luźnego piasku, odlewanie metalu odbywa się wewnątrz cienkościennej, twardej skorupy piaskowej.

Aby utworzyć taką skorupę, należy najpierw utworzyć wzór. Wzór to obiekt, który ma kształt pożądanej części. Wzór jest podgrzewany i umieszczany w piasku zmieszanym ze spoiwem z żywicy termoutwardzalnej. Piasek wokół wzoru przyjmuje kształt części, a żywica ją utwardza. Powłoka jest następnie utwardzana w piecu. Gdy skorupa jest gotowa, umieszcza się ją w materiale do pieczenia i wlewa do niej stopiony metal. Odlew jest odzyskiwany po zestaleniu.

Formowanie skorupowe oferuje takie korzyści, jak niższe wymagania dotyczące siły roboczej (gdy jest zautomatyzowane), zwiększona zdolność produkcyjna i lepsza dokładność wymiarowa.

Jednakże, formowanie skorupowe jest nieco droższe niż odlewanie w piasku ze względu na zastosowaną żywicę. Może również charakteryzować się niższą wytrzymałością materiału i wysoką porowatością. Koszty pracy mogą być również dość wysokie, jeśli proces nie jest zautomatyzowany.

Odlewanie inwestycyjne

Odlewanie inwestycyjne, znane również jako odlewanie metodą traconego wosku lub odlewanie precyzyjne, wykorzystuje wosk do konsekwentnego tworzenia dokładnych odlewów.

Proces rozpoczyna się od woskowego wzoru uzyskanego za pomocą metalowych matryc. Kilka wzorów woskowych jest łączonych z wlewami, prowadnicami i wlewem. Pozwala to na odlewanie kilku części jednocześnie.

Zespół woskowych szablonów jest zanurzany lub „zatapiany” w ogniotrwałej zawiesinie, która przyjmuje kształt zespołu.

Wzór woskowy wraz z powłoką z zawiesiny jest następnie podgrzewany. Wosk wypływa z powłoki i może być odzyskany do ponownego użycia.

Skorupa z zawiesiny tworzy następnie formę do procesu odlewania. Stopiony metal jest wlewany do formy, gdzie zestala się w wymaganą część.

Odlewanie inwestycyjne jest bardzo precyzyjne. Stosuje się go do skomplikowanych części, które wymagają dokładnych części, takich jak wirniki turbosprężarek. Zapewnia również bardzo dobre wykończenie powierzchni.

Z drugiej strony, proces ten jest droższy niż odlewanie piaskowe i formowanie skorupowe. Ma ograniczenia dotyczące niektórych cech, takich jak rozmiar i głębokość otworów. Odlewanie inwestycyjne może być trudne do wykonania, gdy w grę wchodzą rdzenie.

Proces odlewania w formach nierozbieralnych

Te techniki odlewania wykorzystują trwałe formy, które mogą być wielokrotnie używane. Nie ma potrzeby przygotowywania nowej formy dla każdego odlewu, jak ma to miejsce w przypadku odlewów z form zużywalnych. Może to być korzystne w przypadku odlewów wymagających dokładnego wykończenia powierzchni, wysokiej dokładności wymiarowej i złożonych kształtów.

Następujące procesy odlewania można sklasyfikować jako jednorazowe:

Odlewanie ciśnieniowe

Proces odlewania ciśnieniowego wykorzystuje metalową matrycę do odlewania innych metali. Matryca jest zwykle wykonana z nieżelaznych stopów aluminium, miedzi i cynku, ale stosowane są również matryce z metali żelaznych.

The Metalowe matryce są drogie w produkcji ale wytrzymują bardzo długo. To sprawia, że odlewanie ciśnieniowe jest bardziej nadaje się do produkcji wielkoseryjnej.

Odlewanie ciśnieniowe, w porównaniu do innych technik odlewania metali, jest bardziej odpowiednie dla małych i średnich części, które wymagają wysokiej jakości wykończenia powierzchni.

Procesy odlewania ciśnieniowego dzielą się na dwa główne rodzaje: odlewanie grawitacyjne i odlewanie ciśnieniowe. Odlewanie grawitacyjne wykorzystuje siłę grawitacji do wypełnienia formy stopionym metalem. Kanały i wnęki formy są zaprojektowane w sposób umożliwiający naturalny przepływ metalu do kieszeni.

Odlewanie ciśnieniowe polega na wtryskiwaniu stopionego metalu pod wysokim ciśnieniem w celu wypełnienia formy. Proces ten oferuje większą elastyczność w projektowaniu form, ale jest droższy i wymaga większych umiejętności.

Odlewanie ciśnieniowe jest bardziej odpowiednie dla złożonych geometrii, podczas gdy odlewanie grawitacyjne oferuje większą wartość dla prostszych projektów.

Odlewanie odśrodkowe

Odlewanie odśrodkowe wykorzystuje siłę odśrodkową do odlewania okrągłych części. Proces ten jest zwykle wykorzystywany do tworzenia odlewów o standardowych rozmiarach, takich jak rury, a nie gotowych produktów.

Ponieważ proces ten wykorzystuje grawitację i ciśnienie, tworzy bardzo precyzyjne projekty z niezwykłą dokładnością.

Stopiony metal jest podawany przez środek, a ruch obrotowy formy popycha metal do krawędzi, tworząc pierścieniowy kształt. Dodając kolejno różne materiały, możliwe jest wytwarzanie rur z wieloma warstwami. Na przykład, odlewanie odśrodkowe może tworzyć żeliwne rury z cementową wykładziną wewnątrz, aby zapobiec korozji i późniejszej tuberyzacji.

Siła odśrodkowa może również wtłaczać lepki stopiony metal do niezwykle drobnych wgłębień. Metal można formować w skomplikowane kształty i tworzyć złożone projekty. Dlatego też koncepcja ta jest powszechnie wykorzystywana do tworzenia biżuterii.

Maszyny odlewnicze mogą być poziome lub pionowe. Maszyny poziome są odpowiednie dla długich produktów, takich jak rury, podczas gdy maszyny o osi pionowej są bardziej odpowiednie dla krótszych produktów, takich jak łożyska.

Odlewanie odśrodkowe oferuje takie zalety, jak brak konieczności stosowania rdzeni, wytwarzanie doskonałej struktury ziarna i brak ograniczeń dotyczących wymiarów, takich jak długość, grubość ścianki i średnica.

Odlewanie odśrodkowe jest najlepszą alternatywą dla konkretnych zastosowań, takich jak cienkościenne cylindry. Ma jednak wady, takie jak ograniczenia kształtu, niezdolność do pracy z mniejszymi średnicami i kompatybilność z ograniczonymi stopami. Zanieczyszczenia gromadzą się w centrum odlewania odśrodkowego, co może być trudne do usunięcia.

Odlewanie ciągłe

Odlewanie ciągłe, znane również jako odlewanie pasmowe lub odlewanie płytowe, produkuje odlew ciągły o stałym przekroju.

Stopiony metal z pieca jest ostrożnie wlewany do kadzi pośredniej, z której metal jest przenoszony do chłodzonej wodą formy o pożądanym przekroju. Chłodzenie przyspiesza krzepnięcie stopionego metalu.

Podczas krzepnięcia metalu, jest on również wyciągany z formy przez rolki, gdzie odlew może być chłodzony i kształtowany do ostatecznych wymiarów. Po zakończeniu krzepnięcia odlew jest przycinany do standardowych wymiarów.

Odlewanie ciągłe oferuje wysokie tempo produkcji, zwiększoną dokładność, zmniejszoną ilość odpadów i ulepszoną strukturę ziarna.

Proces ten wymaga jednak wysokich nakładów początkowych, a produkt końcowy może mieć wady wewnętrzne i niską jakość powierzchni.

Podsumowanie

Odlewanie metali to sprawna i opłacalna metoda wytwarzania niezawodnych produktów metalowych. Oferuje ona szeroki zakres procesów. Każdy proces ma zalety i wady, które sprawiają, że nadaje się do określonych zastosowań.

Na przykład odlewanie piaskowe jest idealne do jednorazowych złożonych elementów, podczas gdy odlewanie ciśnieniowe jest bardziej odpowiednie, gdy potrzebne są skomplikowane produkty o wysokim tempie produkcji.

Formy stosowane w odlewnictwie dzielą się na formy zużywalne i formy jednorazowe. Formy zużywalne są niszczone po każdym użyciu, na przykład podczas odlewania w piasku, podczas gdy formy nie zużywalne są bardziej trwałe i mogą trwać od kilku dni do kilku lat.

Wszechstronność odlewania metali sprawia, że jest to podstawowa technika obróbki metali w różnych branżach, od motoryzacyjnej po lotniczą, zapewniająca wysoką dokładność i powtarzalność produkcji złożonych części.