CZ2005692A3 - Způsob výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem a licí forma k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Při způsobu výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem se dutina licí formy v průběhu 60 až 180 s za atmosférického tlaku naplní kovovou taveninou, po utěsnění vtokového otvoru se tavenina vystaví působení dotlaku tak, že do dutiny licí formy se shora přivede tlakové médium, které během 60 až 120 s vyvodí tlak 40 až 70 kPa, tento tlak v konstantní hodnotě dále působí na kovovou taveninu po dobu 10 až 15 min, načež následuje postupné uvolněnítlaku během 60 až 90 s a samovolné chlazení vzniklého odlitku na teplotu, při níž je odlitek uvolněn z licí formy. Licí forma k provádění způsobu výroby kovových odlitků je tvořenazákladní deskou (1), na níž je pevně uchycenvertikálně a případně i horizontálně členěný obvodový plášť (2), k němuž je shora pevně uchycena nálitková deska (3) vybavená vstupem (4) tlakového média, přičemž všechny tyto uvedené součásti společně vymezují dutinu(5) licí formy, která je spojena s vtokovou soustavou (6) tvořenou vtokovým otvorem (7), vtokovým kůlem (8), rozváděcím kanálem (9) a filtry (10), a celá tato vtoková soustava (6) je uložena v pouzdru (11) vtokové soustavy.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby kovových odlitků vhodných pro náročné aplikace, především pak způsobu lití kovových forem

Dosavadní stav techniky

Stávající technologie výroby kovových odlitků je běžně založena na gravitačním liti do pískových forem. Písková forma je konzervativně zanálitkována izolačním materiálem a vytváří vnější profil odlitku. Dotlačování taveniny v průběhu krystalizace z nálitkové části neprobíhá při zvýšených tlakových poměrech a je vyvozeno jen atmosférickým tlakem.

Vlivem působení pouze atmosférického tlaku nedochází ke zvýšení parciálního tlaku v tavenině a tím se snižuje rozpustnost vodíku během krystalizace, což zapříčiňuje vznik plynových bublin v odlitku, na které se dále nabalují oxidické vměstky. Ze stejne příčiny nedochází také k ideálnímu vykopírování vnitřního profilu odlitku, vytvořeného v desénu na sádrových jádrech tekutým kovem, což vede k tvarové nepřesnosti.

Proto je snahou zlepšit míru vyplnění formy taveninou a minimalizovat tak možné nepřesnosti a slévárenské vady.

Řešení podle JP 200153353 je určeno pro tlakové lití se studenou komorou. Výhodou je vynikající přesnost lití bez nutnosti speciální kovové formy s vysokou tvrdostí a bez vysokých nároků na odlévací zařízení. Horní část kovové formy tvořící dutinu pro odlévání je vytvořena z materiálu se 3^%řri porozitou, takže je schopna absorbovat uvolňující se plyny v průběhu plnění formy taveninou. Aplikovaný tlak je vyvozen mechanicky pístem přes vtokový systém a jeho velikost je omezena porozitou horní části formy.

Technologie založená na vtlačení taveniny přes nálitkovou část pomocí mechanického pístu (Squeeze casting) je použita i u řešení podle JP 7290227, ktere je konkrétně zaměřeno na snížení přelitků na odlitku. U složitějších odlitků musí být slévárenská forma dělená kvůli vyjmutí odlitku z dutiny. Na rozhraní dílů formy vznikají miniaturní spáry, které se opotřebením formy zvětšují a tím se zvětšují i přelitky na odlitku. Řešeni urychluje tuhnutí taveniny ve spárách a tím brzdí vznik větších přetoků.

- 2Nevýhody mechanického stlačení taveniny pístem souvisí především s tím, že píst ma svou geometrii, určenou vždy jen na jeden typ odlitku. Tím jsou daný značné pořizovací náklady spojené ze změnami odlitků a náklady na údržbu strojního parku. Objem taveniny musí být pro každý píst přesně definován před litím. Tento požadavek představuje značný problém - vyžaduje práci s tekutým kovem a odměřování přesného množství pro konkrétní dutinu. Při nedodržení předepsaného objemu dojde ke vzniku slévárenských vad, tedy buď přetoků nebo v opačném případě neúplného odlitku. Omezením - zejména pokud jde o aplikaci ve výrobě forem na pneumatiky - je i schopnost odlévat pouze objemově menší odlitky.

Snahou o zlepšení kvality kovových odlitků je veden i způsob jejich výroby popsaný v JP 63010056. Jde o technologii nízkotlakého liti, ale v určité speciální podobě, kdy se provádí lití jen jedné poloviny formy, dutina formy se plni zespodu a postupně se za mírně zvýšeného tlaku stále doplňuje taveninou při zmenšování objemu a tuhnutí odlitku. Stejně se provádí lití druhé poloviny, formy, která je horizontálně dělená. Tento postup je časově i

zde znamená více než dvojnásobnou časovou náročnost oproti jiným slévárenským postupům. Aplikace této technologie je navíc omezena hmotností odlitků - při výrobě odlitků hmotnosti nad 200 kg by vznikly výrazné slévárenské vady, především staženiny a řediny, s negativním dopadem na kvalitu odlitku.

Netradiční technologii představuje postup podle SU 999340 (CS 247104), který spočívá ve vyplnění dutiny formy taveninou a následujícím přitlačení této taveniny ke stěnám formy tím, že do středové oblasti taveniny je přiveden vzduch pod určitým tlakem. Stěny formy jsou přesně vykopírovány, nevýhodou však je, že zevnitř zůstanou v tavenině krátery po působení tlakového média, které budou vyžadovat následné obrobení. Především však je nevýhodou, že touto technologií lze vytvářet pouze duté odlitky. Také přívod tlakového vzduchu pomocí duté tyče může představovat problém v závěrečné fázi, při tuhnutí taveniny a oddělení tyče od odlitku.

Jinou snahu o pokrok v dotlačování taveniny do dutiny formy v průběhu krystalizace představuje postup podle EP 1375033. Je to způsob lití kovové taveniny do formy, která obsahuje neprodyšnou izolační bariéru proti pronikání plynu, způsobující rovnoměrné rozložení tlaku v prostoru mezi vnějšími a vnitřními stěnami této formy. Způsob spočívá v zavedení roztaveného kovu do této formy pod prvotním tlakem nižším než okolní tlak (podtlakem) a následném působení tlaku plynu vyššího než tento prvotní tlak na materiál ve formě. Uvedená bariéra činí stěny formy v podstatě nepropustnými pro plyn. Tlak plynu je aplikován na materiál ve formě bezprostředně poté, co materiál naplní dutinu formy, zatímco tato forma spočívá v licí peci. Bariéra je tvořena glazurou snižující prostup plynu Stěny formy jsou tvořeny plochami, které mají poměr výšky ku šířce 1,0 nebo větší. V patentu je dále popsán alternativní způsob chráněného lití roztaveného kovu v licí komoře (tlakovém boxu) za prvotního tlaku a následného zvýšení tlaku v komoře na vyšší hodnotu. Forma je opět umístěna v licí peci a její stěny mají glazuru proti prostupu plynů.

Nevýhodou této technologie je, že je určena jen pro duté tenkostěnné odlitky v řádu kg. Především však není ve formě řešen odvod plynů z taveniny, což je mimořádně důležité, jestliže stěny formy mají bariéru proti prostupu plynů. Je-li forma neodvzdušněna, vznikají v odlitku bubliny, jejichž oprava je pracná a drahá.

Odporová taviči pec a odporová temperovací pec pro licí formu je umístěna ve velkém tlakovém boxu. Pořizovací náklady pro tuto sestavu, pokud by měla být aplikována na vyšší hmotnost odlitku, by byly velmi vysoké.

Výše uvedené nevýhody a omezení, především pokud jde o hmotnost a geometrii odlitku, neumožňují aplikaci této technologie pro velkoobjemové odlitky, jako jsou formy pro výrobu pneumatik.

V případě výroby velkoobjemových odlitků sloužících jako formy pro pneumatiky se proto stále postupuje metodou klasického gravitačního lití za působení atmosférického tlaku, přičemž se používá pískových licích forem se vsazeným sádrovým celokruhem. Sádrový celokruh, který vytváří v případě lití forem pro pneumatiky vnitřní desénovou část odlitku, je vyroben ze sádrové směsi, jejíž parametry jsou dimenzovány vzhledem ke koncepci stávající technologie lití. Sádrový celokruh s těmito parametry působí jako izolační materiál. Tato charakteristika prodlužuje interval tuhnutí odlitku, což podporuje růst krystalů v objemu odlitku. Struktura se stává hrubozrnnější, což vede k mezikrystalické korozi a ke snížení hodnot mechanických vlastností.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých způsobů výroby kovových odlitků, zejména forem pro pneumatiky, do značné míry odstraňuje způsob výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem a licí forma k provádění tohoto způsobu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že dutina licí formy se v průběhu 60 až 180 s za atmosférického tlaku naplní kovovou taveninou, po utěsnění vtokového otvoru se tavenina vystaví působení dotlaku tak, že do dutiny licí formy se shora přivede tlakové médium, které během 60 až 120 s vyvodí tlak 40 až 70 kPa, tento tlak v konstantní hodnotě dále působí na kovovou taveninu po dobu 10 až 15 min, načež následuje postupné uvolnění tlaku během 60

- 4až 90 s a samovolné chlazení vzniklého odlitku na teplotu, při níž je odlitek uvolněn z licí formy.

Podstata konstrukce licí formy k provádění způsobu výroby kovových odlitků podle vynálezu spočívá vtom, že forma je tvořena základní deskou, na níž je pevně uchycen vertikálně a případně i horizontálně členěný obvodový plášť, k němuž je shora pevně uchycena nálitková deska vybavená vstupem tlakového média; všechny tyto uvedené součásti společně vymezují dutinu licí formy, která je spojena s vtokovou soustavou tvořenou vtokovým otvorem, vtokovým kůlem, rozváděcítn kanálem a filtry, a celá tato vtoková soustava je uložena v pouzdru.

Výhodou technologie gravitačního lití s dotlakem (GLD) podle vynálezu je jednak snížení podílu vstupních slévárenských surovin, současně však také eliminace slévárenských vad na odlitcích (geometrické nepřesnosti, vodíkové póry, oxidické vměstky a pleny, výronky, řediny atd.). Vlivem eliminace slévárenských vad dochází ke snížení objemu ruční práce potřebné při dokončování odlitků. Značný ekonomický dopad má současně i snížení podílu odpadů.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní provedení způsobu výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem podle vynálezu a zařízení kjeho provádění jsou znázorněna na přiložených výkresech, kde značí;

- obr. 1 - princip výroby kovových odlitků metodou gravitačního lití s dotlakem (GLD)/

- obr. 2 - princip aplikace GLD pro lití odlitku - formy pro lisování pneumatik.

Příklady provedení vynálezu

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží následující příklady konkrétního provedení způsobu výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem a příklady konstrukce lících forem k provádění tohoto způsobu.

Příklad 1

Způsob výroby kovového odlitku gravitačním litím s dotlakem podle obr. 1 je zahájen gravitačním plněním dutiny 5 licí formy přes vtokovou soustavu 6. Dutina 5 licí formy se plní tekutým kovem tak, že tekutý kov částečně zaplní i dutinu v nálitkové desce 3 Plnění probíhá po dobu 70 s. Následuje dotlačování ještě tekutého kovu do dutiny 5 licí formy pomoci tlakového plynného média tlakem 60 kPa, který je vyvozen během 60 s a v konstantní hodnotě působí po dobu krystalizace 10 min.

V průběhu plnění formy je vstup 4 tlakového média otevřen. Slouží pro odplynění dutiny 5 licí formy. Po dokončení plnění dutiny 5 licí formy tekutým kovem se vtokový otvor 7 hermeticky uzavře a zafixuje. Také jednotlivé díly licí formy jsou pevně spojeny a utěsněny Po splnění těchto podmínek se spustí tlakové dotlačování tekutého kovu přivedením tlakového média. Tlakové médium se odstaví až po krystalizaci tekutého kovu. Fáze odtlakování zde trvá 70 s.

Zařízení k provádění tohoto způsobu - licí formu - tvoří podle obr. 1 základní deska i, na níž je pevně uchycen vertikálně i horizontálně členěný ocelový obvodový plášť 2a, 2b, k němuž je shora pevně uchycena nálitková deska 3 vybavená vstupem 4 tlakového média, přičemž všechny tyto uvedené součásti společně vymezují dutinu 5 licí formy. Dutina 5 licí formy je spojena s vtokovou soustavou 6 tvořenou vtokovým otvorem 7, vtokovým kůlem 8, rozváděcím kanálem 9 a filtry 10. Celá tato vtoková soustava 6 je uložena v pouzdru JJ.

Příklad 2

Způsob výroby kovového odlitku - formy pro lisování pneumatik podle obr. 2 - je zahájen gravitačním litím hliníkové taveniny, při němž se plní dutina 5 licí formy tekutým kovem přes vtokovou soustavu 6 . Tavenina vyplňuje dutinu 5 licí formy - prostor budoucího odlitku - až do výšky nálitkové izolační vložky 15. Jakmile se dosáhne této výšky, zastavuje se lití taveniny. Proces plnění trvá 120 s. Při lití je otevřen vstup 4 tlakového média (vzduchu), kterým se odvádí plyny, vznikající v průběhu plnění.

Ve fázi dotlačování se nejdříve utěsní vtokový otvor 7. Na vstup 4 tlakového média se přivede toto médium. Tyto dva kroky jsou provedeny v časovém odstupu 30 s.

Systém se začne tlakovat a během 90 s tlak vystoupí na hodnotu 40 kPa. Po dosažení této hodnoty se udržuje tlak na konstantní hodnotě po dobu 15 min, kdy probíhá krystalizace tekutého kovu. Jakmile proběhne krystalizace, vypíná se přívod tlakového média a licí forma se pozvolna odtlakuje. Odtlakování formy trvá 90 s. Po odtlakování je proces GLD dovršen a forma s odlitkem může být transportována k apretaci.

Zařízení - licí formu, znázorněnou na obr. 2, tvoří analogicky jako v předchozím příkladě základní deska J, na níž je pevně uchycen vertikálně členěný ocelový obvodový plášť 2 a na něm shora nálitková deska 3 se vstupem 4 tlakového média, a tyto součásti vymezují dutinu 5 licí formy. Dutina 5 licí formy je spojena s vtokovou soustavou 6 tvořenou opět vtokovým otvorem 7, vtokovým kůlem 8, rozváděcím kanálem 9 a filtry J_0, a uloženou v pouzdru JJL. Základní deska i je ve střední části opatřena opěrným mezikružím j_2, kolem něhož je vystředěn a uchycen sádrový celokruh 13 , který je zevnitř upevněn na opěrném mezikruží 12 fixační vložkou 14 . Nálitková deska 3 je zdola v oblasti vybrání pro dutinu 5 licí formy opatřena nálitkovou izolační vložkou J_5 a shora je nálitková deska 3 opatřena rozvodnou deskou 16 tlakového média, na níž je pak vytvořen vtokový otvor 7 i vstup 4 tlakového média.

Popsaná licí forma se vyrobí následujícím způsobem:

Na ocelovou základní desku i s opěrným mezikružím Γ2 se ustavuje sádrový celokruh

13. Vzniklá dutina mezi sádrovým celokruhem J_3 a opěrným mezikružím 12 se vysypává směsí slévárenského písku s pojivém a tvrdidlem, z níž po vytvrzení vznikne fixační vložka

14.

Do vertikálně děleného ocelového obvodového pláště 2 se zafixuje vtoková soustava 6, uložená v pouzdru 11 a sestávající z vtokového kůlu 8, rozváděcího kanálu 9 a zářezů, do kterých jsou vsazeny pěnové keramické filtry Π).

U nálitkové desky 3 se vnitřní mezikruží osadí nálitkovou izolační vložkou J_5. Rozvodná deska 16 tlakového média se vystřeluje a usazuje na nálitkovou desku 3.

Tyto základní prvky licí formy se temperují v sušicí peci, kde musí být zaručena cirkulace vzduchu. Všechny kovové části jednotlivých komponentů formy, které přicházejí do kontaktu s tekutým kovem, se ošetří ochranou šlichtou.

Po ukončení temperace sestavuje se forma do licí pozice před taviči pec. Na licí izolační desku se nejdříve se uloží základní deska I se sádrovým celokruhem 13, uchyceným na opěrném mezikruží 12 fixační vložkou 14. Na tuto základní desku 1 se vystředí a pevně zafixuje obvodový plášť 2 se zabudovaným pouzdrem H, obsahujícím vtokovou soustavu 6. Na obvodový plášť 2 se potom uloží nálitková deska 3, opatřená již rozvodnou deskou J_6 tlakového média. Uložený celek se vystředí a pevně zafixuje v poloze, kdy na rozvodné desce 16 tlakového média je vtokový otvor 7 osazen do osy vtokového kůlu 8. Veškeré spoje a spáry jsou utěsněny, čímž je dosaženo nepropustnosti tlakové soustavy. Vstup 4 tlakového média zůstává otevřen. Forma je připravena k procesu lití a dotlačování.

Průmyslová využitelnost

Způsob výroby kovových odlitků metodou gravitačního lití s dotlakem podle vynálezu najde uplatnění především všude tam, kde jsou zvýšené požadavky na tvarovou a rozměrovou přesnost odlitků a současně i na jejich kvalitu. Typickým příkladem takových aplikací je výroba forem, v prvé řadě pak náročná výroba forem pro pneumatikárenský průmysl. Vzhledem k ekonomické výhodnosti dané úsporami materiálu i ruční práce však bude využití způsobu výroby kovových odlitků podle vynálezu přínosné i v jiných, méně náročných aplikacích.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby kovových odlitků gravitačním litím s dotlakem, vyznačující se tím, že dutina licí formy se v průběhu 60 až 180 s za atmosférického tlaku naplní kovovou taveninou, po utěsnění vtokového otvoru se tavenina vystaví působení dotlaku tak, že do dutiny licí formy se shora přivede tlakové médium, které během 60 až 120 s vyvodí tlak 40 až 70 kPa, tento tlak v konstantní hodnotě dále působí na kovovou taveninu po dobu 10 až 15 min, načež následuje postupné uvolnění tlaku během 60 až 90 s a samovolné chlazení vzniklého odlitku na teplotu, při níž je odlitek uvolněn z licí formy.

2. Licí forma k provádění způsobu výroby kovových odlitků podle nároku 1, vyznačující se t í m , že je tvořena základní deskou (1), na níž je pevně uchycen vertikálně a případně i horizontálně členěný obvodový plášť (2), k němuž je shora pevně uchycena nálitková deska (3) vybavená vstupem (4) tlakového média, přičemž všechny tyto uvedené součásti společně vymezují dutinu (5) licí formy, která je spojena s vtokovou soustavou (6) tvořenou vtokovým otvorem (7), vtokovým kůlem (8), rozváděcím kanálem (9) a filtry (10), a celá tato vtoková soustava (6) je uložena v pouzdru (11) vtokové soustavy.

3. Licí forma podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se t í m , že její základní deska (1) je ve střední části opatřena opěrným mezikružím (12), kolem něhož je vystředěn a uchycen sádrový celokruh (13), který je zevnitř fixován na opěrném mezikruží (12) fixační vložkou (14).

4. Licí forma podle nároku 2, vyznačující se tím, že její nálitková deska (3) je zdola v oblasti vybrání pro dutinu (5) licí formy opatřena nálitkovou izolační vložkou (15) a shora je nálitková deska (3) opatřena rozvodnou deskou (16) tlakového média, na níž je pak vytvořen vtokový otvor (7) i vstup (4) tlakového média.