-
Proizvodne tehnologije II TL Kolokvijum
1. Livkost i livake osoblne metala
Proizvodi mainske industrije, globalno posmatrano, imaju u sebi
najvie ugraenih valjanih metalnih
produkata pa onda odlivaka (1/3 ukupnog materijala). Ekonomski
opravdana izrada odlivaka traenog
kvaliteta i bez greaka mogua je samo od odreenih legura koje
poseduju dobru livkost. Pod pojmom
livkosti obuhvaen je skup livakih osobina vezanih kako za samu
leguru, tako i za kalupnu upljinu
(formu) u koju se tean metal izliva. Livake su osobine uglavnom:
topljivost, teljivost i livkost,
apsorpcija gasova, segregacija, promena zapremine pri ovrivanju
i hladjenju, reju livako
skupljanje.
Topljivost je sposobnost metala i legura da pri zagrevanju mirno
preu iz vrstog stanja u teno,
obrazujui pri tome homogen rastop. Zavisno od temperature
topljenja (Tt) i livenja (Tl), legure Ti, Fe i
Ni svrstavaju se u legure sa visokom Tt, legure Cu sa srednjom
Tt i legure Al, Mg, Zn, Pb i Sn sa
niskom temperaturom topljenja. Najbolje su topljive eutektike
legure i uopte legure sa niskom Tt,
malom specifinom toplotom i latentnom toplotom topljenja.
Teljivost se definie kao reciprona vrednost dinamike viskoznosti
i zavisna je, za dati materijal, od
temperature tenog metala (liva). Za livaku praksu najvanija
karakteristika je teljivost izmerena pri
temperaturi liva za vreme popunjavanja kalupa. Odreuje se
probama u spiralnom kalupu. Kad se kae
da legura ima dobru livkost podrazumeva se da moe popuniti kalup
sloenog oblika, pre nego to liv
ovrsne.
2. Livenje u peanim kalupima
Livenje u peanim kalupima (livenje u pesku) je jedan od najvie
korienih postupaka za dobijanje
odlivaka - 70-75% svih odlivaka koji se koriste u mainskoj
industriji su dobijeni ovim nainom livenja.
Osnovna karakteristika livenja u pesku je to mogu da se
proizvode odlivci veoma sloenih oblika,
razliitih masa (od nekoliko grama do vietonskih), mogu da se
liju gvoa, elici, legure obojenih
metala. Livenje u peanim kalupima se odvija uz jednokratnu
upotrebu kalupa, koji se posle
kristalizacije (ovravanja) odlivka razara. Proces livenja u
pesku podrazumeva izvoenje odreenih
operacija, kao to su:
1. Izrada modela;
2. Priprema osnovnih sirovina;
3. Topljenje pripremljenih sirovina;
4. Priprema materijala za izradu kalupa i jezgara;
5. Izrada kalupa i jezgara;
6. Izlivanje metala u pripremljene kalupe;
7. Istresanje odlivaka;
8. ienje i dorada odlivaka;
9. Kontrola kvaliteta odlivaka.
Model slui za obrazovanje unutranje upljine u kalupu i ima istu
spoljanju konfiguraciju kao i
odlivak, koji treba da se dobije livenjem. Model je prototip,
kopija odlivka, ali se od njega razlikuje po
tome to je neto veih dimenzija - zbog skupljanja metala i konane
mainske obrade odlivka. Izrauje
se iz jednog ili vie delova, to pre svega zavisi od sloenosti
njegovog konanog oblika, kao i
pogodnosti njegovog vaenja iz kalupa pri izradi upljine u
kalupu. Ako je model izraen iz vie delova,
onda se ti delovi meusobno spajaju po razdelnim povrinama. Gomja
polovina modela uvek sadri
ispuste a donja odgovarajue otvore, tako da je spajanje modela
dovoljno vrsto. Unutranja kontura
odlivka se dobija pomou jezgara koja se posebno pripremaju.
Radne povrine modela i jezgara treba da
budu glatke i iste, da bi se pri izradi kalupa dobili jasni i
otri obrisi modela. Za izradu modela mogu da
se koriste drvo, metal, plastine mase, gips, cement, beton.
Izbor materijala za izradu modela zavisi od
vrste livenja i sloenosti dela koji se lije. U pojedinanoj i
maloserijskoj proizvodnji mode] se obino
pravi od drveta, dok je u masovnoj proizvodnji ekonominije
koristiti model od metala zbog njegove
vee vrstoe i dimenzione stabilnosti.
Model se pravi na osnovu tehnolokog crtea elementa koji treba da
se odlije. Na tehnolokom crteu
pored izgleda odlivka treba da budu naznaene razdelne povrine
modela, poloaj modela pri
-
kalupovanju, poloaj odlivka pri izlivanju tenog metala u kalup,
zakoenja, dodaci za skupljanje i za
mainsku obradu.
Za izradu kalupne i jezgrene meavine koristi se livniki pesak,
prirodni i vetaki, koji se sastoji od
kvarcnog peska, gline, vezivnih sredstava i razliitih pomonih
materijala. Kvalitet svakog odlivka
direktno zavisi od kvaliteta kalupne meavine - mnogobrojna
ispitivanja su pokazala da je ak 50%
greaka, koje se javljaju na odlivcima, posledica kalupne meavine
loeg kvaliteta. Za pripremanje
meavine za kalupe i jezgra koriste se mnogobrojni ureaji kao to
su transporteri, suare, sita za
sejanje, drobilice i mlinovi, magnetni separatori, ureaji za
regeneraciju meavine, mealice i ureaji za
rastresanje meavine. Pri izradi kalupa i jezgara koristi se
livniki alat koji je raznovrstan, a deli se na
osnovni i pomoni. Osnovni alat ine modeli, modelne ploe, kutije
za jezgra, alat potreban za izradu
kalupa i jezgara. Pod pomonim alatom podrazumevaju se kalupnici,
ploe, alat za suenje, presovanje...
Pesak je osnovna komponenta kalupnih i jezgrenih meavina.
Osnovni sastojak peska za kalupovanje je
kvarc (SiO2) koji je izrazito vatrostalan (Ttop.>1700C).
Zrnca kvarca su sfernog ili uglastog oblika ija
je granulacija 0,06-2mm, s tim to se za jezgrenu meavinu koriste
krupnije estice. Pesak za
kalupovanje sadri 90-98% istoga kvarca, dok ostatak ine razliite
primese, koje pored ostaloga utiu i
na njegovu obojenost. Sve primese imaju niu temperaturu
topJjenja od kvarca, to znai da smanjuju
njegovu vatrostalnost. Osnovni pokazatelji peska za kalupovanje
su - sastav zrna, sadraj gline i
primesa, gasna propustljivost i vatrostalnost.
Glina se upotrebljava kao vezivno sredstvo za kalupne i jezgrene
meavine. Ona stvara opnu oko svakog
zrna peska i na taj nain omoguava vezivanje pojedinih zrna ali
istovremeno obezbeuje i neophodnu
vrstou i plastinost (mogunost oblikovanja).
Kalupi i jezgra se izrauju runo ili mainski. Kalupi mogu da se
izrade u podu livnice, od gline,
pomou ablona, od jezgara, u ramovima i specijalnim postupcima,
dok se jezgra izrauju punjenjem i
nabijanjem jezgrene meavine u jezgrenike (jezgrene kutije).
Operacije koje se izvode pri izradi kalupa
su: 1-punjenje i nabijanje kalupa; 2-izrada ulivnog sistema i
ventilacionih otvora; 3-vaenje modela; 4-
dorada kalupa i 5-zatvaranje kalupa i oteavanje.
Kao sirovine za dobijanje odlivaka od elika ili gvoa (elini liv,
sivi liv) koriste se: sirovo gvoe,
staro gvoe, povratni materijal iz livnice, fero legure i dodaci
kao to su livniki koks, topitelji i ruda
gvoa.
Teni metal, koji je uliven u kalupnu upljinu, zauzima njenu
konfiguraciju i poinje da se hladi. Nakon
dostizanja likvidus temperature zapoinje prelaz tenog metala u
vrsto stanje. Brzina ovravanja
odreena je brzinom odvoenja toplote i karakterom porasta udela
vrste faze tokom vremena.
Ovravanje odlivka je posledica kristalizacije legure, tj.
stvaranja i rasta kristala. Po dostizanju
pogodne temperature pri hlaenju, odlivci se istresaju iz kalupa
u cilju oslobaanja od kalupne i
jezgrene meavine. Istresanje odlivaka moe da se izvodi runo ili
mehaniki pomou vibracionih
reetki. Odlivci u livenom stanju imaju krupnozrnastu strukturu,
veliku tvrdou, malu vrstou i niska
svojstva plastinosti, kao i znaajne unutranje napone. Struktura
i svojstva odlivaka mogu bitno da se
poboljaju termikom obradom - arenjem, normalizacijom kaljenjem i
otputanjem. Izbor odreene
vrste termike obrade zavisi od vrste legure, konfiguracije
odlivka i tehnikih uslova.
Primer livenja aure od SL:
1. Drveni model
Dimenzije drvenog modela se uveavaju za 1% zbog skupljanja sivog
liva. Model omoguava da
se u kalupu dobije forma koja je saglasna buduem odlivku.
-
2. Peano jezgro ojaano icom
Pomou jezgra se dobijaju unutranje upljine. Jezgro se postavlja
u kalup tako to se oslanja o
gnezda u kalupu dobijenih pomou marki za oslanjanje jezgra.
3. Gornji i donji kalup
4. Spajanje kalupnica Izrada otiska u pesku formiranje kalupne
upljine
-
5. Postavljanje jezgra u kalupnu upljinu
6. Ulivanje tenog metala liva
7. Odsecanje vika Ulivne ase i ulivni sistem odsecaju se
mainskom obradom.
-
3. Centrifugalno livenje
Centrifugalno livenjem uglavnom se izrauju uplji cilindri i
drugi valjkasti predmeti. Kod ovog naina
livenja tean metal ovava u obrnotm kalupu. Zahvaljujui njegovom
rotiranju nemetalni ukljuci i
gasovi izdvajaju se na unutranjoj strani upljeg odlivka, jer je
gustina nemetalnih ukljuaka znatno
manja od gustine metala. Zbog dejstva centrifugalne sile dobija
se zbijeni i homogeniji liv nego pri
gravitacionom livenju. Prema poloaju ose rotacije razlikuju se
dve vrste livenja: metod gde kalup rotira
oko horizontalne ose i metod gde kalup rotira oko vertikalne
ose.
Odnos centrifugalne sile Fc prema sili zemljine tee Fg zove se
koeficijent gravitacije k: 2
2 2 2 2 2 230
900
c
g
nr
F m r r r nk
F rmg rg g g g
;r- unutranji poluprenik klaupa u cm.
K= 75 za kalup sa peanom oblogom; k=80 za metalni kalup; k=100
za livove sa uskim
temperaturskim intervalom ovavanja.
Pri livenju u vertikalnom poloaju unutranja povrina zida odlivka
poprima parabolian oblik.
Primer:
Proraun:
2 2 2 2
1 2
-1
Broj obrtaja kalupa:
Koeficijent gravitacije 35 - 65 - za Sivi liv 50
90 75 16582.5 mm
2 2 2
50 9.8177.1 s
0.0825
c
g
sr
sr
F m r rk
F rmg rg g
k k
r rr
kg
r
1
2
-1 -1
2 2 2 22 3 21 2
180 mm
18090 mm
2 2
150 mm
15075 mm
2 2
30 30 77 1736 3 s Usvaja se: 737 s
30
Pritisak liva na zidove kalupa:
0 09 0 0756 8 10 77 1
2 2
50022 Pa
..
. .. .
sp
sp
un
un
R
Rr
R
Rr
nn n
r rP
P Usvaja se 50 kPa:P
4. Livenje topljivim modelima
Livenje topljivim (izgubljenim) modelima sastoji se iz sledeih
operacija:
-
Izrade matinog modela (matrice) i modela ulivnog sistema; modeli
su za jednokratnu upotrebu,
i uglavnom se izrauju od meavine voskova, votanih supstanci,
masnih kiselina ili sintetikih
materijala.
Povezivanje votanih modela sa modelom ulivnog sistema pomou
elektrine lemilice.
Izrada jednodelnog keramikog kalupa.
Uklanjanje votanog modela putem topljenja.
Nasipanje kalupa rastopljenom livakom legurom.
ienje odlivaka od keramike mase.
Odvajana ulivnog sistema.
Za dobijanje votanih modela potrebno je najpre izraditi matini
model koji mora da bude dvodelan ili
viedelan, da bi ovrsli model mogao da se izvadi iz matrice.
Metalna matrica se moe izraditi na dva
naina:
Mehanikom obradom
Livenjem
Nain izrade matrice uslovljen je veliinom proizvodne serije
buduih preciznih odlivaka i
raspoloivom opremom.
elina matrica se moe napraviti mainskom obradom.
Za izradu livene matrice potreban je model od nikla, napravljen
mainskom obradom, to je tzv. matini
model.
Postupak livenja: U matricu se sipa rastopljeni vosak, a kad
ovrsne matrica se otvara i vadi se votani
model. Poto se napravi odreeni broj modela postupa se proceduri
livenja koja je prikazana na sledeoj
slici.
-
Na slici pod (a) prikazana je metalna matrica za votane modele,
a pod (b) prikazan je sklop od 6
votanih modela zalemljenih za vertikalni ulivni levak. Pod (c)
ilustruvano je viestruko potapanje
modela usud sa koloidnom smeom fino samlevenog kvarcnog peska i
veziva.
5. Livenje pod pritiskom
Livenje pod pritiskom je proces dobijanja odlivaka u metalnim
kalupima, pri korne se ulivanje metala u
kalup i formiranje odlivka odvija pod pritiskom. Odlivak se
obrazuje u kalupu (komori) za presovanje
koji je izraen od visokokvalitetnog elika sa malom hrapavosti i
velikom tanosti radnih povrina.
Unutranja konfiguracija odlivka se dobija pomou metalnih
jezgara, koja se iz odlivka najee izvlae
u momentu otvaranja kalupa i vadenja odlivka iz njega. Livenjem
pod pritiskom je mogue dobiti
odlivke u ureajima za livenje pod pritiskom sa toplom i hladnom
kompresionom komorom. Kod
ureaja sa hladnom komorom za presovanje, komora za presovanje
moe da bude postavljena
horizontalno, ili vertikalno. Klip pod pritiskom od 40-100 MPa
potiskuje metal u upljinu kalupa koji se
sastoji iz dva dela od kojih je jedan pokretan a drugi
nepokretan. Pre zalivanja kalup se zagreva do 120-
320C. Posle kristalizacije i vaenja odlivka, radna povrina
kalupa se obduvava vazduhom i premazuje
specijalnim premazima da bi se spreilo privarivanje metala za
povrine kalupa. Vazduh i gasovi se
odstranjuju kroz kanale. Postupak livenja pod pritiskom ima niz
karakteristinih osobenosti. Proces
-
moe da se prikae u tri etape. U prvoj etapi rastopljen metal
velikom brzinom (do 50 m/s) za kratko
vreme (0,01-0,6s) popunjava upljinu kalupa za presovanje. Rastop
se intenzivno mea sa vazduhom i
parama premaza koji se nalaze u kalupu. U takvim uslovima samo
deo vazduha, para i gasova moe da
se udalji iz kalupa, a ostatak se mea sa rastopom obrazujui smeu
metal - vazduh. U drugoj etapi
livenja, u momentu zavretka popunjavanja kalupa za presovanje,
javlja se kratkovremeno i snaan
hidrostatiki udar, koji pokazuje i negativan i pozitivan uticaj
na formiranje odlivka. Pozitivno dejstvo
hidroudara sastoji se u tome da metal dolazi u blizak kontakt sa
povrinom kalupa i otro ocrtava
njegovu konfiguraciju. Na taj nain se dobija tana i glatka
povrina odlivka, s tim to povrinski sloj
(0,2 mm) ima veliku gustinu i sitnozrnastu strukturu. Trea etapa
livenja zavrava se kristalizacijom
odlivka velikom brzinom, to kao posledicu moe da ima i pojavu
greaka skupljanja, pre svega pora.
Nedostatak livenja pod pritiskom je visoka cena ureaja za
livenje i samog kalupa, ogranienost u
dimenzijama i masi odlivka i prisustvo vazdunih pora kod
masivnih delova odlivka.
6. Livenje u gipsanim kalupima
Gips zameen sa vodom moe se upotrebljavati kao masa za
kalupovanje, ali iskljuivo za livenje
aluminijumskih odlivaka. Negativna osobina ove kalupne smee je
veoma mala propustljivost zidova
klaupa. Propustljivost kalupa i jezgara moe se poveati na tri
naina:
Dodavanjem gipsanoj masi materija koje svojim fizikim delovanjem
poveavaju prozornost
kalupa.
Primenom dodatka za punjenje, koji stvaraju penasti gips sas
znatno veom propuivou.
Posebnim fiziko hemijskim tretmanom gipsanih kalupa i jezgara
kojim se dobija
makrostruktura dovoljne propustljivosti.
Osnovna kalupna masa moe biti: gips dobijenim suvim postupkom
ili gips dobijen mokrim postupkom.
Kao dodaci mogu se ubaciti cement, azbestni prah, kvarncno
brano, bentonit i druge materije.
Vreme ovravanja gipsane mase u kalupnici iznosi do 40 min i ono
se moe regulisati. Kalupu i jezgra
izlau se najpre suenju u uslovima okolne sredine, a zatim u pei
pri temperaturi od 250OC. Poto
gipsana kalupna masa u toku ovravanja znatno poveava svoju
zapreminu, to se mora uzeti u obzir
prilikom projektovanja modela i ulivnog sistema. Za izradu
modela preporuuju se materijali otporni na
delovanje vode, kao i legure Al, Cu i plastike. Naroito pogodno
je izraditi elastine modele od
specijalnih vrsta silikonskih guma.
Gipsani modeli i kalupi uglavnom se koriste za livenje legura
aluminijuma. Mogue je dobiti odlivke
veoma sloenog oblika, dobrog kvaliteta povrina kao i uskih
tolerancija dimenzija. Masa odlivka moe
biti ograniena opremom kojom raspolae livnica i ekonomskim
razlozima.
-
Nalivanje gipsanih kalupa moe se izvesti gravitaciono,
centrifugalnim postpkom ili pod pritiskom, bilo
poveanjem pritiska ubrizgavanja liva u kalup ili sniavanjem
pritiska vazduha u kalupu vakunskim
postupkom. Jezgra od gipsa se mogu upotrebiti i kod drugih
tehnologija livenja, npr. pri levenju u
kokilama ili livenju u pesku.
7. Livenje u keramikim kalupima
8. Livenje u koljkastim kalupima
koljkasti kalupi se izrauju od meavine istog i suvog kvarscnog
peska, uz dodatak 3 10 %
vezivnog sredstva fenol formaldehidne sintetike smole. Kalupna
upljina se dobija primenom
modelne ploe.
Najpre se modelna ploa premazuje vatrostalnim (silikonskim)
uljem. Zatim se livaka masa stavlja u
posudu, a odozgo se privruje na otvor zagrejana modeln ploa.
Zatim se okree posuda za 180
stepeni, to omoguava da livaka masa prekrije model i da smesa
zagreje.
-
Od vremena zadravanja u poloaju II zavisi debljina formiranje
koljke na modelnoj ploi. Kad koljka
dostigne potrebnu debljinu posuda ide u poloaj III, pa se
zapeena masa zadrava na ploi a ostatak
pada na dno posude. Ploa se odvaja od posude i unosi u pe (IV),
gde koljka ovava. Poto se proces
zavri ona se izbijaem odvaja od modelne ploe.
Nalivanjem tenog metala u kalup sagoreva vezivna smola te se
posle ovravanja odlivka koljka
raspada, odlivak ostaje ist. Postupak je pogodan za tankozidne
odlivke i idlivke sa rebirma za hlaenje,
kao to su cilindri vaduno hlaenih motora SUS.
9. Unutranji naponi u odlivcima
Unutranji naponi u odlivcima uglavnom nastaju zbog neravnomerne
promene zapremine u pojedinim
delovima odlivka usled hlaenja razliitim brzinama. Na pojedinim
mestima u odlivku unutranji naponi
mogu nastati i pri neslobodnom skupljanju zbog razliitih otpora
nekih delova kalupa ili jezgra. Na
sledeoj emu prikazano je razliite vrste napona koji se mogu
pojaviti u odlivcima:
Veliina unutranjih napona se moe odrediti na osnovu idelanog
skupljanja l, koje bi u uslovima
slobodne konstrukcije nastalo pri padu temperature za T: l=l**T.
U oblasti visokih temperatura
gotova da nema relaksacije napona. Kad pri hlaenju odlivak dospe
od visokih u oblast povienih
temperatura poinje da vai Hukov zakon pa nastaje relaksacija
napona prema izrazu: =*E*T, te se
deo unutranjih napona ponitava elastinim deformacijama.
Unutranji naponi nastaju i zato to se pojedini delovi odlivka
neravnomerno skupljaju. Rezultanta svih
unutranjih napona u svakom trenutku bie jednaka nuli ako odlivak
ostaje u ravnotei sve vreme.
Termiki unutranji naponi se javljaju se zbog razliitih brzina
hlaenja pojedinih delova odlivka.
Krajnji rezultat bie termiki naponi pritiska u tankim zidovima
odlivka, a u debelim zidovima zateui
naponi.
Unutranji strukturni naponi javljaju se pri faznim
transformacijama legura Fe C ako novo nastala
strukturna komponenta ima razliitu specifinu zapreminu u odnosu
na prvobitnu i okolnu. Kad god se
strukturne transformacije ne odvijaju istovremeno u svim
delovima odlivka javie se unutranji naponi.
Tipian primer je delimina transformacija austenita u martenzit u
delovima odlivka koji se hlade
brzinom veom od kritine to dovodi do poveanja specifine
zapremine za 2.68%.
Rezultujui livaki naponi () predstavljau zbir napona sklupljanja
s, termikih T, i strukturnih
str: =s+T+str.
10. Livake greke
Greke koje se po zavetku livenja mogu otkriti na odlivcima
razvrstavaj use u 2 grupe:
Popravljive (otklonjive) greke
Nepopravljive (neotklonjive) greke
-
Za pojedine klase odlivka tehnoloki uslovi definiu zahteve koje
oni moraju da ispune, da bi se smatrali
prihvatljivim. Ovim se uslovima propisuju doputena dimenzijska
odstupanja, kaoi neotklonjive greke
koje odlivke svrstavaju u povratni metalni uloak za pretapanje
tj. u kart. Greke odlivka se mogu
razvrstati i simboliki oznaavati na sledei nain:
Prema spoljanjem izgledu greke se svrstavaju u sedam klasa:
A metalne izrasline
B upljine
C Necelovitost
D Povrinske greke
E Nepotpun odlivak
F Netane dimezije ili oblik
G Ukljuci i nepravilna struktura
Simnolino se greke cifarski oznaavaju prema sledeoj tabeli koja
uzima u obzir, kako vrstu
liva, tako i metod livenja:
11. Greke necelovitosti oblika