Odlewanie piaskowe – proces, właściwości piasku, zalety i wady

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

W tym artykule zagłębimy się w nowoczesny proces odlewania w piasku, badając, jak to działa i dlaczego pozostaje jedną z najczęściej stosowanych technik odlewania metali nawet tysiące lat po jego powstaniu.

Czym jest odlewanie piaskowe?

Odlewanie piaskowe lub odlewanie formowane w piasku to proces produkcji metalu, który wykorzystuje matryce wykonane z piasku do tworzenia produktów metalowych. Piasek można łatwo formować za pomocą zwykłych przedmiotów. Po nadaniu mu pożądanego kształtu, do formy wlewany jest gorący stopiony metal. Gdy metal ostygnie, przybiera kształt formy w miarę krzepnięcia. Końcowy produkt metalowy jest następnie wyciągany z formy piaskowej i poddawany obróbce wykończeniowej przed oddaniem do użytku.

Za pomocą techniki odlewania w piasku można wytwarzać produkty o wszystkich rozmiarach i poziomach złożoności. Może być wykorzystywana do odlewania przedmiotów tak małych jak szpilki lub tak dużych jak lokomotywy kolejowe. Dodatkowo jest on kompatybilny z szeroką gamą metali, w tym żeliwa, żeliwa ciągliwego, stali, stopów niklu, stopów miedzi, stopów aluminium i stopów magnezu.

Jego wszechstronność sprawia, że odlewanie piaskowe jest najczęściej stosowanym procesem odlewniczym na świecie, a ponad 60% wszystkich odlewanych produktów metalowych jest wytwarzanych przy użyciu tej metody.

Właściwości piasku formierskiego

Chociaż istnieje wiele różnych rodzajów piasków do wyboru, nie wszystkie z nich nadają się do procesu odlewania. Każdy z nich wykazuje pewne cechy, które mogą, ale nie muszą być zgodne z wymaganiami projektu.

W zależności od procesu odlewania i metalu, potrzebna jest odpowiednia kombinacja właściwości piasku formierskiego. Aby zwiększyć spójność, można dodać specjalne dodatki i spoiwa do podstawowej mieszanki piasku, gliny i wody.

Spoiwa te, które mogą być organiczne lub nieorganiczne, obejmują między innymi zboża, mieloną smołę, węgiel morski, gilsonit, olej opałowy, mączkę drzewną, mączkę krzemionkową, tlenek żelaza i perlit. Niektóre z tych spoiw mają sprzeczne efekty, ale kompromisy są często konieczne aby zrównoważyć właściwości dla konkretnych zastosowań odlewniczych.

The cztery najpopularniejsze rodzaje piasku stosowane do odlewania to piasek zielony, piasek suchy, krzemian sodu i piasek żywiczny:

1. Piasek zielony jest tak nazywany, ponieważ jest to zasadniczo surowy piasek zmieszany z wodą. Wykazuje on konsystencję podobną do gliny. Zielony piasek oferuje tanią opcję piasku odlewniczego z dobrą możliwością ponownego użycia i jest kompatybilny z wysokimi wskaźnikami produkcji. Jednak jego niska plastyczność może powodować zapadanie się formy w niektórych sytuacjach. Ma również skłonność do tworzenia wad powierzchniowych.
2. Suchy piasekZ drugiej strony, jest to piasek do formowania, który wykorzystuje glinę i zawiera bardzo mało wody działającej jako środek wiążący. Dość dobrze zachowuje swój kształt po wbiciu na miejsce. Zaletą suchego piasku jest to, że wytwarza on bardzo mało pary wodnej podczas etapu napełniania, co w przypadku bardziej wilgotnych piasków może prowadzić do pękania formy, jeśli nie zostanie to kontrolowane.
3. Krzemian sodu, inaczej szkło wodne, to specjalny piasek, który wykorzystuje spoiwo krzemianu sodu do integracji piasku. Krzemian sodu może tworzyć bardziej skomplikowane lub złożone kształty niż zielony i suchy piasek.
4. Piasek żywiczny, aka Piasek furanowyJest to kolejny popularny piasek używany do odlewania piaskowego. Wykorzystuje on żywicę na bazie alkoholu furfurylowego do tworzenia spójnej masy z piasku. Wytrzymała i wysoce stabilna mieszanka ma bardzo małą tendencję do rozpadu i zapewnia doskonałą dokładność wymiarową i wykończenie powierzchni. Jest to jednak najdroższy ze wszystkich piasków. Ma również dłuższy czas realizacji.

Inżynierowie odlewnictwa wybierają rodzaj piasku w oparciu o metal, geometrię produktu i granice tolerancji. Jednak bez względu na specyfikacje, zawsze sprawdzają rodzaj piasku pod kątem następujących właściwości:

Ogniotrwałość

Ogniotrwałość to właściwość materiału, która pozwala mu wytrzymać szoki termiczne i spalanie w wysokich temperaturach. Piasek służy jako materiał ogniotrwały dla stopionego metalu, a zatem musi mieć wysoką temperaturę topnienia. Wybór piasku do odlewania zależy w dużej mierze od temperatury procesu. Jeśli ogniotrwałość jest niewystarczająca, piasek stopi się i połączy z odlewem.

W przypadku wielu metali, takich jak aluminium, piasek musi wytrzymać jedynie temperaturę 700 stopni Celsjusza. Jednak piasek do odlewów staliwnych musi wytrzymać co najmniej 1500 stopni Celsjusza, ponieważ temperatura topnienia jest wyższa.

Przepuszczalność

Piasek musi odprowadzać parę wodną i inne gazy powstające podczas procesu odlewania. Każda jednostka wody w formie wytwarza 1600 jednostek pary.

Jeśli gazy i para zostaną uwięzione, może to spowodować wady, takie jak otwory wydmuchowe i gazowe w produkcie końcowym. Ich usunięcie ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrej jakości wykończenia. Dlatego przepuszczalność jest kluczową właściwością piasku dla uzyskania wysokiej jakości produktu końcowego.

Na właściwości masy formierskiej ma wpływ wielkość i rozkład ziaren: małe ziarna zwiększają wytrzymałość formy, ale zmniejszają przepuszczalność, podczas gdy większe ziarna zwiększają przepuszczalność. Drobne ziarna zapewniają gładkie wykończenie powierzchni odlewów, ale mają niską przepuszczalność, podczas gdy grube ziarna zapewniają wyższą przepuszczalność, ale bardziej szorstkie wykończenie.

Wysoka przewodność cieplna

Przewodność cieplna to właściwość materiału, która umożliwia przepływ ciepła przez materiał. Wydajny przepływ ciepła prowadzi do szybszego chłodzenia stopionego metalu. Piaski o wysokiej przewodności cieplnej są wymagane do przenoszenia ciepła ze stopionego metalu do atmosfery.

Niska rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna to wzrost lub spadek objętości materiału odpowiednio po dodaniu lub usunięciu ciepła. W procesie odlewania piaskowego potrzebny jest piasek o bardzo niskiej rozszerzalności cieplnej. Ten rodzaj piasku zachowa swój kształt na różnych etapach procesu odlewania, w tym podczas wlewania ciekłego metalu i późniejszego chłodzenia.

Płynność

Zdolność piasku do spływania do mniejszych obszarów, takich jak wgłębienia, zagłębienia i głębokie kanały wzoru, określa, czy możemy go użyć do odlewania złożonych kształtów. Piasek o wyższej płynności wypełni wszystkie elementy wzoru bez konieczności stosowania ciśnienia zewnętrznego.

Piasek o wysokiej płynności nie jest potrzebny do prostych kształtów, takich jak pokrywa włazu, ale może być wymagany do czegoś bardziej złożonego, takiego jak rzeźba. Poziom wymaganej płynności można zatem określić indywidualnie dla każdego przypadku.

Koszt

Koszt może również znacznie różnić się w zależności od piasku. Piasek kwarcowy, na przykład, charakteryzuje się wysoką dostępnością, ale także kwestiami takimi jak niestabilność wymiarowa i tendencja do spalania, a nawet eksplozji w celu utworzenia cząstek o wielkości poniżej mikrona pod wpływem szoku termicznego. Krzemica jest również niezwykle istotną kwestią, ponieważ pracownicy są narażeni na działanie krzemionki przez długi czas. Z drugiej strony piasek oliwinowy i chromitowy są droższe i mniej dostępne, ale nie mają wyżej wymienionych problemów.

Proces odlewania jest prosty w przypadku prostych produktów. Tworzona jest wnęka o pożądanym kształcie, a stopiony metal jest wlewany do niej przez pionowy kanał. Gdy metal zestali się, jest wydobywany poprzez usunięcie otaczającej go masy formierskiej.

Jednak w przypadku złożonych kształtów należy dokładnie rozważyć takie aspekty, jak sposób wypełnienia formy, usunięcia nadmiaru metalu, uzyskania wysokiej jakości wykończenia powierzchni oraz zapewnienia optymalnej temperatury i prędkości stopionego metalu w celu równomiernego wypełnienia.

Przeanalizujmy bardziej szczegółowo typowy proces odlewania piaskowego:

1. Tworzenie formy

Forma jest tworzona przy użyciu wzoru, który jest repliką pożądanego produktu. Wzór może być wykonany z innego materiału lub w innym procesie, takim jak obróbka skrawaniem lub produkcja addytywna, ale ma taki sam kształt i wymiary jak produkt końcowy. Z jednego wzorca można utworzyć wiele form.

Wzór jest dzielony na dwie części wzdłuż linii środkowej kształtu. Każda połowa jest następnie umieszczana w oddzielnych piaskownicach, a mieszanka piasku jest pakowana wokół nich, aby utworzyć odciski wzorów w piasku.

Po usunięciu wzorów z piasku, dwie piaskownice są umieszczane jedna na drugiej, zabezpieczając je w celu utworzenia kompletnej formy. Górna połowa i dolna połowa są określane odpowiednio jako uchwyt i opór. Wygenerowana w ten sposób wnęka formy ma negatywny kształt produktu. Na przykład występ na produkcie końcowym pojawia się jako wgłębienie w formie.

2. Tworzenie systemu wlewowego

System wlewowy zapewnia ścieżkę przepływu stopionego metalu do wnęki. Dobrze zaprojektowany system może mieć kluczowe znaczenie dla jakości produktu. Skuteczny system wlewowy jest prosty, wydajny i minimalizuje turbulencje. Zatrzymuje on również wszelkie gazy lub żużle obecne w stopionym metalu.

Kluczowe elementy systemu wlewowego wymagające starannego zaprojektowania obejmują:

• Wanna zalewowa i wlew – Wanna zalewowa służy jako punkt wejścia w kształcie lejka dla stopionego metalu. Metal przepływa do wlewu ze zbiornika, poruszając się grawitacyjnie w kierunku wnęki.
• Prowadnice – Prowadnice to poziome kanały, którymi roztopiony metal dociera z wlewu do wnęki matrycy.
• Bramki – Bramy są punktami wejścia do wnęki matrycy, zapewniając płynny przepływ stopionego metalu do wnęki matrycy, utrzymując ciśnienie i zapobiegając wypływaniu. Pomagają również ograniczyć przedostawanie się żużla do wnęki matrycy.
• Risery – Aby przeciwdziałać kurczeniu się metalu podczas chłodzenia, taśmy nośne służą jako zbiorniki w układzie wlewowym, przechowując dodatkowy stopiony metal. Gdy metal zaczyna się kurczyć, piony dostarczają dodatkowy materiał do wnęki, zapobiegając niedoborom metalu.
• Rdzenie – Gdy produkt wymaga pustej sekcji lub wnęki, wkładka z litego piasku zwana rdzeniem jest umieszczana wewnątrz matrycy w celu utworzenia zamierzonej wnęki. Stopiony metal wypełnia się wokół rdzenia, tworząc wgłębienie w końcowym odlewie. Kapsle utrzymują rdzeń na miejscu podczas odlewania.

3. Wylewanie stopionego metalu

Stopiony metal jest wlewany od góry do wnęki. Objętość użytego metalu nieznacznie przekracza objętość produktu, aby zapewnić, że nadmiar materiału jest przechowywany w pionach.

4. Krzepnięcie w odlew

Po wypełnieniu wnęki matrycy, odlew pozostawia się do ostygnięcia. W zależności od metalu i procesu można zastosować chłodzenie naturalne lub wymuszone. Właściwe chłodzenie jest niezbędne do osiągnięcia pożądanych właściwości i utrzymania dokładności wymiarowej produktu końcowego.

5. Wytrząsanie i odzyskiwanie piasku

Wytrząsanie to proces usuwania odlewów piaskowych z formy. Piasek jest wstrząsany i przesuwany w celu oddzielenia zestalonego odlewu, który jest następnie wysyłany do ostatecznego wykończenia, podczas gdy rozpoczyna się odzyskiwanie piasku.

Ponieważ nie cały piasek można odzyskać, część starego piasku jest zastępowana świeżym piaskiem na potrzeby przyszłych procesów odlewania piaskowego. Aby przywrócić właściwości piasku do ponownego użycia, można zastosować obróbkę mechaniczną, chemiczną i termiczną, a także dostosować jego skład poprzez kompensację utraconej wilgoci i dodatków.

Zalety odlewania w piasku

Pomimo rozwoju wielu zaawansowanych technologii w ostatnich dziesięcioleciach, odlewanie piaskowe pozostaje jednym z najpopularniejszych procesów produkcji metali. Jego unikalne zalety sprawiają, że jest on niezbędny w nowoczesnym krajobrazie produkcyjnym. Dziś, odlewanie piaskowe jest często zautomatyzowane, zwiększając jego zdolność adaptacji i wydajność, aby sprostać wymaganiom współczesnych środowisk produkcyjnych. Oto kilka kluczowych zalet, które sprawiają, że odlewanie w formach piaskowych jest tak cennym procesem.

Nadaje się do wszystkich rodzajów produkcji

Odlewanie piaskowe jest kompatybilne z różnymi konfiguracjami produkcyjnymi, umożliwiając produkcję jednoczęściową, wsadową lub masową. Metoda ta jest szeroko stosowana w branżach takich jak motoryzacja, obronność, rolnictwo, górnictwo, budownictwo, opieka zdrowotna i energia odnawialna.

W przemyśle motoryzacyjnym odlewanie piaskowe jest wykorzystywane do opracowywania prototypów, bloków silnika, głowic cylindrów i różnych części silników spalinowych. Jego zastosowanie rozszerzyło się również na produkcję pojazdów elektrycznych, gdzie odlewanie piaskowe jest wykorzystywane do produkcji elementów konstrukcyjnych, obudów silników, obudów akumulatorów i innych.

Istnieje prawie żadnych ograniczeń co do rozmiaru również. Produkty o masie od kilku gramów do kilku ton mogą być odlewane z matematyczną precyzją.

Efektywność kosztowa

Jednym z głównych czynników skłaniających różne sektory do stosowania technologii odlewania w formach piaskowych są koszty. Odlewanie piaskowe jest znacznie bardziej opłacalne w porównaniu z innymi procesami odlewania. Piasek może być ponownie wykorzystany do przyszłych odlewów przy minimalnej obróbce.

The automatyzacja w produkcji wielkoseryjnej zmniejsza również koszt jednostkowy, zapewniając jednocześnie stałą i niezawodną jakość. Odlewanie piaskowe również wiąże się z niskie koszty oprzyrządowania w porównaniu do innych metod odlewania.

Nadaje się do wszystkich metali

Odlewanie piaskowe może być wykonywane z niemal każdego stopu metali żelaznych i nieżelaznych. Przykłady obejmują złoto, żelazo, ołów i tytan. Jedynym wymogiem jest to, aby stopił się i spłynął do formy w postaci ciekłego metalu. Ta elastyczność pozwala odlewniom pracować z szeroką gamą metali bez konieczności wprowadzania znaczących modyfikacji procesu lub sprzętu.

Szybki proces

Chociaż procesy takie jak odlewanie odśrodkowe mogą być bardziej wydajne w przypadku określonych kształtów, odlewanie piaskowe oferuje szybki czas realizacji zarówno w przypadku prototypowania, jak i zastosowań na dużą skalę.

Ograniczenia odlewania piaskowego

Wszystkie procesy produkcyjne wiążą się z kompromisami. W przypadku odlewania piaskowego kompromisy te są jednak minimalne w porównaniu z korzyściami. Przyjrzyjmy się niektórym z tych ograniczeń:

Słabe wykończenie powierzchni

Niska jakość masy formierskiej i odchylenia w procesie mogą czasami skutkować słabym wykończeniem powierzchni odlewów piaskowych. Wszelkie uszkodzenia formy piaskowej mogą prowadzić do chropowatej powierzchni. W przypadku produktów wymagających wysokiej jakości wykończenia powierzchni bez rozległej obróbki końcowej, często preferowane są odlewy ciśnieniowe i odlewy kokilowe, ale odlewanie piaskowe może również zapewnić wyrafinowane wykończenie przy użyciu odpowiedniego piasku i procesów.

Zastosowanie wysokiej jakości, drobniejszego piasku zapewnia znacznie lepsze wykończenie powierzchni, ale zwiększa koszt procesu. Właściwe ubijanie lub upakowanie cząstek piasku również pomaga poprawić wykończenie powierzchni. Aby usunąć wady powierzchni, takie jak zbyt szorstkie wykończenie, odlewy piaskowe są zwykle poddawane obróbce mechanicznej, takiej jak toczenie, szlifowanie i śrutowanie.

Luźna kontrola szybkości chłodzenia

Podczas gdy szybkość chłodzenia może być kontrolowana bardziej efektywnie w wielu procesach wytwarzania metali, nie można tego samego powiedzieć o odlewaniu piaskowym. Piasek, będący izolatorem, potęguje wyzwania związane z etapem chłodzenia. Etap chłodzenia jest znacznie wydłużony w przypadku odlewania piaskowego, co wpływa na czas realizacji i tempo produkcji.

Pewne zmiany w anizotropii mikrostruktury mogą wystąpić z powodu różnych szybkości chłodzenia. Anizotropia odnosi się do zmian właściwości mechanicznych wynikających ze zmian w orientacji ziaren materiału.

Tworzenie wewnętrznych wnęk może być trudne

Metoda odlewania piaskowego wymaga umieszczenia rdzeni we wnęce formy w celu utworzenia wewnętrznych wnęk. Na przykład podczas produkcji bloku silnika, podczas procesu odlewania należy utworzyć puste wnęki na cylindry silnika.

Tworzenie wewnętrznych komór, otworów lub przestrzeni w gnieździe formy jest trudne, ponieważ muszą one być prawidłowo umieszczone i odpowiednio podparte, aby wytrzymać proces odlewania. Im bardziej złożone są te wnęki, tym więcej wyzwań trzeba pokonać.

Jeśli proces nie jest zautomatyzowany, wymagana jest wykwalifikowana siła robocza

Zautomatyzowane procesy mogą być kosztowne. Jednak bez automatyzacji proces ten opiera się na wykwalifikowanych ekspertach w dziedzinie odlewania w piasku, którzy wykonują wzory, formy i nadzorują proces w celu zapewnienia wysokiej jakości produktu. Bez wykwalifikowanej siły roboczej wyniki mogą spaść znacznie poniżej akceptowalnych standardów, powodując straty wizerunkowe i materialne.

Utylizacja piasku może być wyzwaniem

Odlewnie w miarę możliwości poddają recyklingowi masę formierską, ale po określonej liczbie cykli nie nadaje się ona już do ponownego użycia. Piasek odpadowy z odlewni jest jednak szkodliwym zanieczyszczeniem, które może prowadzić do problemów środowiskowych.

Budownictwo jest jednym z sektorów, w których odpady piasku odlewniczego są obecnie kierowane do utylizacji. Jest on wykorzystywany jako substytut drobnego kruszywa (piasku) w betonie. Praktyka ta nie tylko rozwiązuje kwestię utylizacji piasku, ale także obniża koszty i emisje dwutlenku węgla związane z produkcją betonu.

Poza tym jednak, większość odpadów piasku odlewniczego trafia na wysypiska śmieci, co z pewnością nie jest idealnym rozwiązaniem. Możliwości recyklingu piasku odlewniczego są ograniczone.

Wnioski

Pomimo tego, że tradycyjne odlewanie w formach piaskowych jest starożytnym procesem, przeszło ono znaczące udoskonalenia, dzięki czemu jest bardzo istotne i przydatne w dzisiejszym krajobrazie produkcyjnym. Jego popularność częściowo wynika z jego wszechstronności w różnych rodzajach metali i rozmiarach produktów, a częściowo z efektywności kosztowej w porównaniu z innymi procesami odlewania.

Ciągłe innowacje w dziedzinie materiałoznawstwa i automatyzacji procesów dodatkowo zwiększają znaczenie odlewania w formach piaskowych w branżach od motoryzacyjnej po budowlaną. Wraz z ewolucją branż, odlewanie w formach piaskowych będzie nadal kształtować krajobraz przemysłowy, łącząc tradycję i innowacje w technikach obróbki metali.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.