The odlew żeliwny proces przekształca roztopione żelazo w gotowy komponent w sześciu głównych etapach: wykonywanie modeli, przygotowanie form, topienie, zalewanie, zestalanie i chłodzenie oraz operacje wykańczające . Żelazo topi się zazwyczaj w żeliwiaku lub piecu indukcyjnym w temperaturach pomiędzy 1350°C i 1450°C , następnie wlewa się do ukształtowanej według wzoru formy piaskowej lub trwałej formy. Po zestaleniu i ochłodzeniu metalu — proces ten może trwać od: 20 minut do kilku godzin w zależności od grubości części — odlew jest usuwany, oczyszczany i obrabiany zgodnie z ostatecznymi specyfikacjami. W poniższych sekcjach szczegółowo opisano każdy etap, wraz z punktami kontroli jakości, które oddzielają niezawodny odlew od wadliwego.
Każdy odlew rozpoczyna się od wzoru – repliki końcowej części, ale nieco powiększonej, aby uwzględnić skurcz metalu podczas chłodzenia. Żeliwo zwykle kurczy się pomiędzy 0,8% i 1,2% w miarę krzepnięcia i ochładzania do temperatury pokojowej, dlatego twórcy wzorów uwzględniają ten naddatek bezpośrednio w wymiarach wzoru.
Wzory są zwykle wykonane z drewna, aluminium lub tworzywa sztucznego, w zależności od wielkości produkcji. Wzory drewniane są opłacalne w przypadku prototypów lub serii niskonakładowych, ale zużywają się po zgrubnym czasie 50-100 cykli formowania . Wzory aluminiowe lub stalowe, choć droższe z góry, wytrzymują dziesiątki tysięcy cykli i są standardem w produkcji na dużą skalę.
Jeśli dana część wymaga wewnętrznych wnęk lub profili pustych, budowane są oddzielne rdzennice do produkcji rdzeni piaskowych. Rdzenie te wkłada się do gniazda formy przed wylaniem i zazwyczaj są wykonane z piasku związanego żywicą, aby wytrzymać ciepło i ciśnienie stopionego metalu bez zapadania się.
Gdy wzór jest już gotowy, służy do tworzenia wnęki formy, która będzie kształtować roztopione żelazo. Metoda przygotowania formy znacząco wpływa na wykończenie powierzchni, dokładność wymiarową i koszt produkcji.
Najpowszechniej stosowaną metodą w przypadku żeliwa jest odlewanie piaskowe polegające na wypełnieniu mieszaniny piasku, gliny i wody (lub piasku związanego żywicą) wokół wzoru, tworząc dwuczęściową formę, zwaną osłoną i oporem. Ta metoda jest ekonomiczna i elastyczna zarówno w przypadku małych partii, jak i dużych części, chociaż zazwyczaj zapewnia bardziej szorstkie wykończenie powierzchni 125-250 mikrocalów Ra .
Do formowania skorupy wykorzystuje się piasek pokryty żywicą, podgrzany do metalowego wzoru, aby utworzyć cienką, sztywną skorupę. Zapewnia to znacznie lepsze wykończenie powierzchni i węższe tolerancje wymiarowe niż w przypadku tradycyjnego odlewu piaskowego, dzięki czemu nadaje się do mniejszych, precyzyjnych elementów.
W przypadku masowej produkcji prostszych geometrii formy metalowe wielokrotnego użytku mogą całkowicie zastąpić formy piaskowe. Mogą wytwarzać trwałe formy tysiące części przed wymianą i zapewniają doskonałe wykończenie powierzchni, chociaż wyższy koszt oprzyrządowania sprawia, że ta metoda jest mniej ekonomiczna w przypadku części o małej objętości lub o skomplikowanych kształtach.
Podczas przygotowywania formy surowce — surówka, złom stalowy i dodatki bogate w węgiel — są topione w piecu w celu wytworzenia stopionego żelaza o pożądanym składzie chemicznym.
Piece żeliwiakowe, które spalają koks wraz z wsadem metalowym, są nadal powszechne w tradycyjnych odlewniach ze względu na ich zdolność do ciągłego topienia i niższe koszty operacyjne. Z kolei piece indukcyjne oferują bardziej precyzyjną kontrolę temperatury i składu chemicznego oraz wytwarzają niższą emisję, co czyni je coraz bardziej popularnymi w nowoczesnych odlewniach pomimo wyższych kosztów energii elektrycznej.
Właściwości żeliwa zależą w dużym stopniu od zawartości węgla i krzemu. Żelazo szare zazwyczaj zawiera 3,0-3,6% węgla i 1,8-2,8% krzemu , podczas gdy żeliwo sferoidalne wymaga zwykle dodatkowej obróbki magnezem 0,03-0,06% resztkowego magnezu — w celu wytworzenia sferoidalnej struktury grafitu, która zapewnia mu lepszą ciągliwość w porównaniu z żeliwem szarym.
Gdy żelazo osiągnie odpowiednią temperaturę i skład chemiczny, jest przenoszone do kadzi i wlewane do przygotowanej formy przez system wlewowy zaprojektowany w celu kontrolowania natężenia przepływu i minimalizowania turbulencji.
System wlewowy — składający się z wanny wylewowej, wlewu, wlewów i przewężek — kieruje stopiony metal do wnęki, minimalizując jednocześnie uwięzienie powietrza i turbulencje, które mogą powodować defekty porowatości w gotowym odlewie. Zastosowano również piony, które dostarczają dodatkową ilość stopionego metalu do wnęki, gdy odlew kurczy się podczas krzepnięcia, zapobiegając powstawaniu wnęk skurczowych.
Zbyt wolne wylewanie grozi przedwczesnym zestaleniem, zanim forma zostanie całkowicie wypełniona, co skutkuje niekompletnymi odlewami, zwanymi „zimnymi zamknięciami”. Zbyt szybkie nalewanie zwiększa turbulencje i uwięzienie gazów. Odlewnie zazwyczaj skupiają się na temperaturze zalewania w okolicach 1300-1400°C dla żeliwa szarego, dostosowane w oparciu o grubość części i złożoność formy.
Po odlaniu roztopione żelazo zaczyna krzepnąć od ścianek formy do wewnątrz. Szybkość chłodzenia bezpośrednio wpływa na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne odlewu, czyniąc ten etap krytycznym dla końcowej jakości części.
| Szybkość chłodzenia | Wynikowa struktura | Typowy efekt |
|---|---|---|
| Powolne chłodzenie | Grube płatki grafitu | Niższa wytrzymałość, lepsza obrabialność |
| Umiarkowane chłodzenie | Drobna, jednolita struktura grafitu | Zrównoważona wytrzymałość i obrabialność |
| Szybkie chłodzenie | Struktura białego żelaza (bogatego w węgliki). | Wysoka twardość, kruchość, słaba skrawalność |
Grubość ścianki odgrywa ważną rolę w czasie chłodzenia. Casting z Grubość ścianki 25mm może całkowicie zestalić się w ciągu 30–45 minut, natomiast grubsze sekcje przekraczające 100 mm mogą wymagać kilku godzin do całkowitego ochłodzenia. Nierówna grubość ścianki pojedynczej części może powodować różnice w szybkości chłodzenia, co prowadzi do naprężeń wewnętrznych lub wypaczeń, jeśli nie zostanie odpowiednio zarządzane poprzez konstrukcję formy.
Po zestaleniu i ochłodzeniu do bezpiecznej temperatury, odlew jest wyjmowany z formy i poddawany kilku operacjom wykończeniowym, zanim będzie gotowy do użycia.
Podczas odlewania w piasku forma jest rozbijana — zwykle przy użyciu sprzętu wibracyjnego do wytrząsania — w celu uwolnienia odlewu z otaczającego piasku. Odzyskany piasek jest często przesiewany i ponownie wykorzystywany, a jego odzysk wykonują nowoczesne odlewnie 90% lub więcej piasku do kolejnych form.
Bramy, prowadnice i piony – nadmiar metalu z systemu wlewowego – są wycinane za pomocą pił taśmowych, tarcz do cięcia ściernego lub cięcia plazmowego, w zależności od grubości przekroju i wielkości produkcji.
Śrutowanie lub piaskowanie usuwa resztki piasku, zgorzelinę i utlenienie powierzchni, przygotowując odlew do kontroli i obróbki. Ten etap poprawia również jednorodność powierzchni przed jakimkolwiek procesem powlekania lub malowania.
Większość odlewów wymaga obróbki wtórnej w celu osiągnięcia ostatecznych tolerancji wymiarowych na krytycznych powierzchniach, takich jak współpracujące powierzchnie lub średnice otworów. Tam, gdzie potrzebne są ulepszone właściwości, stosuje się obróbkę cieplną, np wyżarzanie, normalizowanie lub hartowanie można stosować w celu złagodzenia naprężeń wewnętrznych lub osiągnięcia określonych celów w zakresie twardości i wytrzymałości.
Punkty kontrolne kontroli jakości są uwzględniane w całym procesie odlewania, a nie stosowane dopiero na końcu, ponieważ wady wprowadzone wcześniej są często niemożliwe do skorygowania później.
Zrozumienie typowych defektów pomaga zarówno odlewniom, jak i nabywcom rozpoznać, skąd zazwyczaj biorą się problemy z jakością procesu.
| Wada | Wspólna przyczyna | Metoda zapobiegania |
|---|---|---|
| Porowatość | Uwięziony gaz podczas nalewania | Ulepszona konstrukcja wlewu, odgazowanie |
| Wnęka skurczowa | Niewystarczające zasilanie pionu | Właściwy rozmiar i umiejscowienie pionu |
| Zimno zamknięte | Zestalanie się metalu przed wypełnieniem formy | Wyższa temperatura zalewania, szybsze napełnianie |
| Włączenie piasku | Erozja pleśni podczas zalewania | Poprawiona wytrzymałość piasku, kontrola bramkowania |
Proces odlewania żeliwa to sekwencja współzależnych etapów, w których decyzje podjęte podczas projektowania modelu i przygotowania formy bezpośrednio wpływają na wyniki podczas zalewania, krzepnięcia i wykańczania. Dobrze kontrolowany proces — od dokładnych naddatków skurczu po precyzyjny skład chemiczny i zarządzanie szybkością chłodzenia — pozwala uzyskać odlewy o stałych właściwościach mechanicznych i minimalnych defektach. Dla inżynierów i nabywców oceniających partnera odlewniczego zrozumienie tych sześciu etapów zapewnia praktyczne ramy oceny możliwości procesu i identyfikacji, gdzie najprawdopodobniej pojawi się ryzyko jakościowe.
