Výrobní technologie

Rozdělení slévárenské výroby
Základní rozdělení
hutní výroba – výroba hutních polotovarů a materiálu
slévárenská výroba – výroba odlitků
Podle tavených slitin
slévárny ocelí
slévárny litin
slévárny neželezných kovů – slitiny hliníku
– slitiny zinku
– slitiny mědi
– slitiny hořčíku...

Rozdělení slévárenských slitin
Slitiny železa
oceli – nelegované, nízkolegované, vysocelegované
litiny – litina s lupínkovým, červíkovitým a kuličkovým grafitem
Neželezné kovy a slitiny
Slitiny hliníku – AlSi (siluminy), Al-Mg, Al-Cu
Slitiny zinku – Zn-Al (zamac )
Slitiny hočíku
Slitiny mědi – bronz, mosaz, monel
Slitiny niklu – Nimonic, Hastaloy, Incoloy, Inconel
Slitiny titanu – Ti-6Al-4V

Rozdělení ocelí
Podle chemické složení
nelegované (náhrada v max. míře LKG), dobrá svařitelnost
středně legované (nízkolegované)
vysokolegované (Cr, Cr-Ni, Mn)
Rozdělení ocelí podle užití
konstrukční
nástrojové
Podle specifických vlastností
korozivzdorné, otěruvzdorné
Podle výroby
oceli pro tváření
oceli na odlitky

Vlastnosti ocelí
slitina železa a uhlíku (C < 2.14%), obvykle v rozmezí 0- 0,6%
vyšší obsah uhlíku = vyšší pevnost, horší technologické vlastnosti (svařitelnost, svařitelnost atp.)
po odlití v odlitku zpravidla nevhodná (Widmanstättenova struktura, karbidy či jiné fáze na hranicích zrn atp.) – nutno tepelně zpracovat
zlepšení vlastností nelegovaných a nízkolegovaných ocelí žíháním (normalizace) nebo zušlechťováním
odlévání oceli do pískových i kovových forem, staticky nebo odstředivě, přesné lití, lití do skořepin
vysoká teplota tavení, licí teploty 1600 – 1680 °C
použití: armatury, ventily, tělesa radiálních čerpadel, lopatky turbín, turbínové skříně, řemenice
vlastnosti: - velké smrštění při tuhnutí a sklon k tvorbě trhlin - nutno nálitkovat, opatření proti vzniku trhlin

Ocelové odlitky
jaderný reaktor
turbínová skříň
těleso převodovky

Litiny
Slitina železa, uhlíku a dalších prvků – uhlík ve formě grafitu – grafitické litiny, nebo karbidu (cementitu) – bílé litiny
rozlišuje 4 druhy litin dle tvaru grafitu (2 degenerované formy grafitu)
DLE NORMY 6 TŘÍD
Lupínkový grafit
Pavoučkovy grafit
Červíkovitý grafit
Vločkový grafit
Nedokonale kuličkový grafit
Pravidelně kuličkový grafit

Grafitické litiny
Litina s lupínkovým grafitem (LLG,GJL,GG) – grafit vyloučen ve formě prostorových útvarů podobných hlávkovému salátu, na výbrusu má pak tvar lupínku (norma ČSN EN 1561), struktura ferit (F), perlit (P) nebo F+P
Litina s kuličkovým grafitem (LKG, GJS,GGG) – grafit ve tvaru pravidelných kuliček (norma ČSN EN 1563) – výroba modifikací LLG, struktura ferit (F), perlit (P) nebo F+P

Grafitické litiny
Litina s červíkovitým grafitem (LČG,GJV,GGV) – grafit vyloučen ve formě červíků. Tvar podobný lupínkům, má však zakulacené konce a větší poměr tloušťky k jeho délce, struktura ferit (F), perlit (P) nebo F+P
Temperovaná litina (GJM) – grafit ve formě vloček, struktura F, P, F+P
s černým lomem GJMB – vzniká žíháním v redukční prostředí
s bílým lomem GJMW - vzniká žíháním v oxidačním prostředí

Litina s lupínkovým grafitem (šedá)
velmi dobrá zabíhavost,
malé smrštění (nálitkování)
velký útlum vibrací, vysoká tepelná vodivost (46 až 65 W/m.K)
nízká cena
Pevnost min. 150 – 350 MPa, tažnost pod 1% (neměří se)
Nositelem pevnosti perlit – vyšší pevnost = vyšší podíl perlitu
Čím nižší stupeň eutektičnosti – tím vyšší pevnost horší slévárenské vlastnosti (větší stahování, horší zabíhavost)
Stupeň eutektičnosti
SE = 1 eutektická litina
SE > 1 nadeutektická litina
SE < 1 podeutektická litina

Litina s kuličkovým grafitem (tvárná)
zabíhavost dobrá – horší než LLG
malé smrštění podobně jako LLG
cca o 40% nižší tepelná vodivost než LLG
vyšší korozní odolnost než LLG
pevnost min. 350 – 800 MPa, tažnost 1% (100%P, Rm= 800MPa) až 25 (100 % F, Rm = 350MPa)
nositelem pevnosti perlit – vyšší pevnost = vyšší podíl perlitu, nositelem tažnosti je ferit
čím dokonaleji je vyloučený kuličkový grafit, tím vyšší tažnost
kuličkového grafitu se dosahuje modifikací litiny Mg
složení GJS přibližně eutektické

Litina s červíkovitým
grafitem (vermikulární litina)
zatím není platná ČSN EN, dle DIN GGV, dle ASTM CGI;
litina s červíkovitým grafitem je moderní materiál, výroba ve světě roste, použití v automobilovém průmyslu – bloky motorů;
grafit - červíkovité útvary, vůči lupínkům kratší a tlustší, na koncích zakulacené. Červíkovité útvary působí také menším vrubovým účinkem na kovovou matrici jak lupínkový;
litina s červíkovitým grafitem nazývaná též jako litina vermikulární je z hlediska mechanických, fyzikálních a slévárenských vlastností; přechodovým typem mezi litinou s lupínkovým a kuličkovým grafitem;
slévárenská technologie se blíží litinám s lupínkovým grafitem a mechanické vlastnosti litinám s kuličkovým grafitem.
Pozn.: podobné mechanické vlastnosti jako LČG má i temperovaná litina(TL), žíhání TL – drahá výroba – je nahrazena LČG a LKG

Litina s červíkovitým
grafitem (vermikulární litina)
zatím není platná ČSN EN, dle DIN GGV, dle ASTM CGI;
litina s červíkovitým grafitem je moderní materiál, výroba ve světě roste, použití v automobilovém průmyslu – bloky motorů;
grafit - červíkovité útvary, vůči lupínkům kratší a tlustší, na koncích zakulacené. Červíkovité útvary působí také menším vrubovým účinkem na kovovou matrici jak lupínkový;
litina s červíkovitým grafitem nazývaná též jako litina vermikulární je z hlediska mechanických, fyzikálních a slévárenských vlastností; přechodovým typem mezi litinou s lupínkovým a kuličkovým grafitem;
slévárenská technologie se blíží litinám s lupínkovým grafitem a mechanické vlastnosti litinám s kuličkovým grafitem.
Pozn.: podobné mechanické vlastnosti jako LČG má i temperovaná litina(TL), žíhání TL – drahá výroba – je nahrazena LČG a LKG

Litinové odlitky - příklady
Řemenové kolo
potrubí výfuku
Vačková hřídel
Kliková hřídel
Blok motoru Audi 2.7L, 3.0 L V6 diesel [DAWSON, S. Practical Iron. Sinter Cast [online]]
Blok motoru 12L pro nákladní vozy a lokomotivy [DAWSON, S. Practical Iron. Sinter Cast [online]]

Poměr hustota/pevnost

Slitiny hliníku
Slitiny hliníku a jiného prvku (Si, Cu, Mg, Mn, Zn)
Vlastnosti: + odolnost vůči korozi, pevnost (poměr Rp0,2/Rm), nízká hustota, nízká teplota tavení, dobrá slévatelnost, kvalitní povrch odlitku
Vlastnosti: - nízká houževnatost, oxidace taveniny během odlévání, Al – Mg špatná slévatelnost a oxidace Mg, Al – Zn – Mg náchylnost k tvorbě trhlin
Použití: pro tvarově složité i tenkostěnné odlitky
Odlévání do pískových forem, kokilové i tlakové lití
Odlitky: tělesa startérů a alternátorů, bloky motorů, chladiče elektroinstalace, písty, ojnice, litá kola automobilů

Slitiny hliníku
Hlavní přísadové prvky vymezují typ slitiny. Hlavními přísadovými prvky ve slévárenských slitinách hliníku jsou Si, Cu a Mg podle nichž jsou základní typy obvykle nazývány:
slitiny Al – Si - siluminy
slitiny Al – Cu - duralaluminium
slitiny Al – Mg - hydronalium
Vedlejší přísadové prvky příznivě ovlivňují některé vlastnosti daného typu slitiny – např. zvyšují mechanické vlastnosti, zlepšují obrobitelnost, ovlivňují strukturu kovu, jsou důležité z hlediska tepelného zpracování, nebo kompenzují nepříznivý účinek některých doprovodných prvků.

Struktura různých druhů eutektika slitiny Al-Si
zrnité lamelární modifikované

Al odlitky - příklady
Píst
Lité kolo
Startér
Blok spalovacího motoru

Slitiny zinku
Zn – Cu, Zn – Al, Zn – Mg
Výborná slévatelnost, nízká teplota tavení, odolnost vůči atmosférické korozi a slabým zásadám, těsnost odlitků
Odlévání vysokotlakým litím, odstředivé odlévání
Tělo zpětného zrcátka
Směšovač plynů

Slitiny mědi
Bronzy: slitiny mědi a nejčastěji cínu, hliníku nebo olova
Hustota asi 8,6 kg/dm3, teplota tání asi 1020°C -1050 °C
Vysoká tepelná vodivost, odolnost vůči korozi, dobré kluzné vlastnosti
Pro odlévání oběžných kol čerpadel, armatur, šnekových kol, zvonů, kluzných ložisek, umělecké předměty
Mosaz: slitina mědi a zinku
Hustota 8,4 až 8,7 kg/dm3, teplota tání 850 až 920 °C
Dobrá elektrická a tepelná vodivost, křehkost, dobrá svařitelnost , je nemagnetická
Pro odlévání ložisek, pouzder ložisek, armatur, částí čerpadel a elektrických přístrojů, hudební nástroje,

Cu odlitky - příklady
Šnekové kolo
Lesní roh
Ventil
Armatury

Slitiny hořčíku
Mg + Al, Mn, Zn, Si
Mg – Li: velmi lehká slitina, nízká hustota, nahrazování plastů
Tlakové lití v ochranných atmosférách, odlévání ve vakuu
Odlévání tvarově komplikovaných a tenkostěnných odlitků
Vlastnosti: + výborná zabíhavost
- pokles pevnosti za vysokých teplot
- odolnost vůči creepu
- reaktivnost taveniny na vzduchu, nízká korozní odlonost
Výrobky: karoserie automobilů, součásti pohonu, rámy sedadel, kryty na elektroniku, palubní desky, těla přístrojů, převodové skříně, kola aut a motorek

Mg odlitky - příklady
Notebook
Tělo fotoaparátu
Lité kolo

Slitiny niklu
Slitiny Ni s Cr a Mo (Hastalloy, Nimonic), komplexní Cr, Mo, V, Ta, Ti, Al, Zr, W (Inconel, Incoloy)
Pro lití ve vakuu i na vzduchu, lití metodou vytavitelného modelu
Vlastnosti: + vysoká pevnost
+ odolnost vůči vysokým teplotám – žáropevné slitiny
+ odolnost vůči nauhličení, odolnost vůči korozi
+ odolnost vůči kyselině sírové
- nikl je toxický, omezování výroby
Písty motorů, lopatky turbín a kompresorů, oběžná kola turbodmychadel, palivová čerpadla, armatury

Ni odlitky - příklady
Rozváděcí kolo turbíny
Armatury
Palivové čerpadlo
Oběžné kolo turbodmychadla

Slitiny titanu
Obsahují titan a nějaké další prvky, nejrozšířenější Ti – Al (TiAl6V4)
Výhody: velmi vysoká pevnost a tuhost i při vysokých teplotách, poměr pevnost/hustota, odolnost vůči korozi, odolávají vysokým teplotám, chemická odolnost
Nevýhody: vysoké náklady na výrobu, vznik trhlin při tuhnutí
Odlévání nejčastěji do keramických skořepinových forem
Využití v kosmonautice, v leteckém i automobilovém průmyslu a v průmyslu zbrojním
Výrobky: satelity, družice, umělé kloubní a zubní náhražky, ventily, písty, ojnice, žárové části turbín, chemické reaktory, oběžná kola turbodmychadel

Ti odlitky - příklady
Píst a ojnice
Ventily
Oběžné kolo turbodmychadla
Umělý kloub
SR – 71 ,,Blackbird“

Tavení ocelí
Elektrické obloukové pece- tavení elektrickým obloukem
Elektrické indukční pece – tavení elektromagnetická indukce

Elektrické obloukové pece
Možnost rafinace kovu – snížení obsahu P, S, snížení obsahu plynů
Tavbu na zásadité obloukové peci lze rozdělit:
na údobí sázení,
tavení,
oxidační údobí (odfosfoření, oduhličení, odplynění)
redukční údobí (odsíření, dezoxidace)
Nejdelší časové údobí je vlastní tavení - cca 60-90min., doba oxidace cca 20min a fáze dohotovení (odsíření, dolegování cca 30min. (přibližně platí pro běžnou nelegovanou ocel)

Elektrické obloukové pece
Pec ČKD, 8 tun (OTO 5), SCB Foundry

Elektrické obloukové pece - hutní
320t EOP (Gebze, Turecko), Tap to tap time 55 min, 812 mm průměr elektrody
Výrobnost: 2,85 mil. t/r 8577 t/den příkon 240+10%MVA
Dodavatel: Siemens VAI

Elektrické indukční pece
Pouze tavení a dolegování – rafinace NE!! (velmi omezená)
Rozdělení elektrických indukčních pecí
Podle konstrukce: - IP kanálkové
- IP kelímkové
Podle hmotnosti vsázky:
Od kg po X.101 t
Podle frekvence: - vysokofrekvenční,
- středofrekvenční,
- na síťovou frekvenci,

Tavení litin
Tavící agregáty
Kupolové pece (kuplovny)
Elektrické indukční pece
Rotační pece
Vsázkové suroviny
Surové železo
Vratný materiál
Ocelový odpad
Litinový odpad
Legující přísady (nauhličovadla, FeSi, FeMn)
Očkovadla, modifikátory

Kupolové pece
Studenovětrné
Horkovětrné
Odpich
Kontinuální
periodický
Provoz
Periodický
Kampaňovitý
Vsázka
Kovové přísady
Koks
Struskotvorné přísady

Tavení neželezných kovů a slitin
eklektické a plynové pece
elektrické odporové a indukční pece (kelímkové pece)
plynové pece – kelímkové, komorové, šachtové
tavící pece
pece s volným kelímkem

Plynové tavící pece
komorové pece
kelímkové pece
šachtové pece

Vakuové elektrické indukční pece
- slitiny na bázi Ni, Ti, Fe

Odlévání kovů a slitin
lití spodem
lití horem – přes hubičku

Zabíhavost kovů a slitin
Zábíhavost je schopnost kovu vyplnit dutinu formy. Je funkcí:
kovu – druh slitiny, čistota slitiny, viskozita, licí teplota
formy – tepelná vodivost, drsnost, atd.
konstrukce odlitku – tloušťka stěny, tvar odlitku atd.
podmínek odlévání – rychlost lití, licí výška, tlak plynů ve formě atd.
Zabíhavost snižují
viskozita
povrchové napětí kovu
kapilární tlak a tlaky plynů ve formě
atd...

Zabíhavost kovů a slitin
Zábíhavost je schopnost kovu vyplnit dutinu formy. Je funkcí:
kovu – druh slitiny, čistota slitiny, viskozita, licí teplota
formy – tepelná vodivost, drsnost, atd.
konstrukce odlitku – tloušťka stěny, tvar odlitku atd.
podmínek odlévání – rychlost lití, licí výška, tlak plynů ve formě atd.
Zabíhavost snižují
Viskozita kovu
povrchové napětí kovu
kapilární tlak a tlaky plynů ve formě
atd...

Odlévání do kovových forem (kokila)
Odlévání:
gravitační
tlakové lití (studená, teplá komora)
odstředivé
Specifika
forma negativ odlitku zvětšená o smrštění odlitku
kovová forma – zhotovena obráběním
vysoká rozměrová a tvarová přesnost
velké série (velkosériová, hromadná) – náklady
mazání forem

Gravitační odlévání do kokil
dvoudílná forma – pevná pohyblivá část, jádra kovová (i netrvalá např. solná)
odlévání ruční, licí stroj

Tlakové lití
Proces plnění můžeme rozdělit
na čtyři etapy:
Etapa τ1
Etapa τ2
Etapa τ3
Etapa τ4

Tlakové lití - studená komora (Al)
vertikální (Polák), horizontální

Tlakové lití – studená komora
výroba přesných odlitků
produktivita
velikost stroje = uzavírací síla
strukturální odlitky

Tlakové lití – teplá komora (Zn, Mg)
výroba přesných odlitků
produktivita
velikost stroje = uzavírací síla

Forma

Příklad odlitků – tlakové lití

Příklad odlitků – tlakové lití
Horní část olejové vany pro Audi A8
Odlitek vodou chlazené klikové skříně pro motocykl BMW

Nízkotlaké lití
Tlak plynu na hladinu kovu = vytlačování kovu do dutiny formy
Kovová forma
Tlak na hladinu po celou dobu tuhnutí odlitku
Vysoká homogenita a jakost odlitku
odlitky turbodmychadel, litých kol atp.

Nízkotlaké lití
http://www.kurtzersa.com/moulding-machines/products/kurtz-foundry-machines/low-pressure-casting-machines/kurtz-applications/automotive.html
vývoj
produkty
produkty

Odstředivé lití
Odlévání do rotující (kovové, keramické, silikonové) formy – využití odstředivé síly
Osa rotace – horizontální (možnost naklonění) vertikální
Rychlost rotace dána typem slitiny a velikostí odlitku
Vysoká vnitřní jakost, vysoké využití kovu
Pravé odstředivé lití – osa rotace = geom. osa odlitku

Odstředivé lití - Tekcast
Odlévání nízkotavitelných slitin – Zn, Sn, nebo i plast, vosk...
Silikonová forma
Gravitační odlévání
Vysoká produktivita
Vysoká povrchová jakost odlitku

Tuhnutí kovů a slitin
Tuhnutí – proces, při kterém dochází vlivem ochlazování kovu ve slévárenské formě, k přechodu tekuté fáze na fázi pevnou.
Z hlediska řízení vlastností odlitku a technologie výroby nás zajímá jak dlouho trvá tento pochod (doba tuhnutí) a jaký je postup natuhávání pevné fáze od stěny formy.

Průběh tuhnutí kovů a slitin
a) exogenní, b) dvoufázové, c) endogenní – objemové (kašovité)

Rychlost ochlazování – rychlost odvodu tepla (tepelná akumulace formy)

Tepelná a geometrická osa odlitku
Množina bodů, s nejvyšší teplotou (poslední místo tuhnutí v odlitku) Poloha závisí na tvaru a velikosti odlitku.
Tepelná osa se nemusí shodovat s geometrickou osou (odchýlení od geometrické osy ve směru menšího odvodu tepla).

Smršťování kovu při tuhnutí a chladnutí odlitku
Chladnutí kovu je spojeno se zmenšováním objemu – smršťováním.
Tepelná osa se nemusí shodovat s geometrickou osou (odchýlení od geometrické osy ve směru menšího odvodu tepla).
Změna hustoty (růst) s poklesem teploty kovu – důsledek = smrštění (zákon zachování hmoty)
εvl – smršťování roztavené slitiny
εvk – smršťování při tuhnutí
εvs – smršťování v pevném stavu

Důsledky objemových změn při tuhnutí
Důsledek - vznik staženin
otevřená
uzavřená
Lokalizace
soustředěná
rozptýlená
Velikost
staženina (makro)
ředina (mikro)

Vznik vnějších a vnitřních staženin

Tepelné uzly a jejich eliminace
Oddělená místa posledního tuhnutí od nalitkované části – lokální nahromadění nebo přehřátí kovu – tvorba staženin.
Eliminace tepelných uzlů
změna konstrukce odlitku (úprava tvaru odlitku, technologické přídavky)
nálitkování
chlazení – chladítka (vnější, vnitřní)

Konstrukční změny odlitků
usměrněné tuhnutí
lépe
špatně

Řízená krystalizace odlitků
řízení krystalizace odlitků s rovnoosými zrny
řízení krystalizace při výrobě odlitků s orientovanými sloupcovými zrny
řízení krystalizace při výrobě monokrystalických odlitků
Odlitky s rovnoosou strukturou
Mechanické oscilace – roztočení formy -> nalití kovu -> oscilace -> ulamování špiček dendritů -> nové zárodky -> zjemnění struktury
Ultrazvuk – vystavení taveniny ultrazvukovým vlnám -> vznik zárodků před tuhnoucí frontou -> zjemnění výsledné struktury odlitku
Magnetické pole – V proměnném magnetickém poli vznikají turbulence -> ulamování dendritů -> nové zárodky -> zjemnění struktury

Odlitky se sloupcovými zrny
Schéma metody LMC
Simulace tuhnutí a růstu sloupcových zrn
Schéma metody HRS

Monokrystalické odlitky
Simulace růstu a selekce
jednoho sloupcového zrna
Simulace selekce monokrystalu daného odlitku

Monokrystalické odlitky

Technologické změny odlitků

Rozdělení nálitků – dle polohy vůči odlitku

Výpočet nálitků

Rozdělení nálitků – dle polohy vůči vtokové soustavě

Rozdělení nálitků dle regulace ochlazování

Příklad použití nálitků