PL186378B1

PL186378B1 - Sposób odlewania odlewów metalowych

Info

Publication number: PL186378B1
Application number: PL98326729A
Authority: PL
Inventors: Georg Habegger
Original assignee: Waertsilae Schweiz Ag
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2003-12-31
Also published as: JP4248623B2; EP0890400A1; JPH1110313A; KR100567360B1; DE59707865D1; KR19990007029A; EP0890400B1; PL326729A1

Abstract

1. Sposób odlewania odlewów metalowych, w którym material odlewany w stanie plynnym wprowadza sie do formy odlewniczej, w szczegól- nosci formy piaskowej, w której material odlewany krzepnie i stygnie, przy czym material odlewany chlodzi sie w formie w sposób sterowany za pomoca ukladu chlodzenia, znam ienny tym, ze w zaleznosci od geometrii odlewu i zadanych efektów metalur- gicznych, wyznacza sie, co najmniej jedna lokalna strefe przestrzenna odlewu, w której z materialu odlewanego znajdujacego sie w formie odbiera sie cieplo w sposób okreslony i sterowany, ze uklad chlodzenia (3, 4, 60, 91) dopasowuje sie do tej lo- kalnej strefy dla sterowanego odbierania ciepla, w odniesieniu do jego usytuowania i uksztaltowania, 1 ze sterowane odbieranie ciepla z tej lokalnej strefy prowadzi sie tylko za pomoca przeplywajacego powietrza. P L 186378 Fig 1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania odlewów metalowych, w którym płynny materiał odlewany wprowadza się do formy odlewniczej, w szczególności formy piaskowej, w której materiał odlewany krzepnie i stygnie.

W sposobie odlewania odlewów metalowych materiał odlewany, na przykład żeliwo, zwłaszcza żeliwo szare stopowe, wprowadza się w stanie płynnym do formy odlewniczej, na przykład do wymodelowanej w dole formy piaskowej albo kokili, gdzie materiał ten krzepnie oddając ciepło formie. Podczas tego krzepnięcia przebiegają złożone procesy chemiczne i fizyczne. W szczególności rozłożony przestrzennie i czasowo proces krzepnięcia materiału odlewanego wpływa decydująco na tworzącą się strukturę i właściwości mechaniczne odlewu.

Po zakończeniu krzepnięcia, lecz przed wyjęciem z formy, trzeba jeszcze ochłodzić odlew w formie aż do osiągnięcia tak zwanej temperatury wybijania, którą na przykład dla stopów żeliwa szarego wybiera się zwykle poniżej 300°C. Również przestrzenny i czasowy

186 378 przebieg chłodzenia materiału odlewanego ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne, przykładowo naprężenia własne odlewu. Ponieważ materiał odlewany nagrzewa coraz mocniej formę, więc w miarę wydłużania się czasu przebywania w formie maleje szybkość ochładzania materiału odlewanego i, na przykład, przed osiągnięciem temperatury wybijania może obniżyć się do wartości poniżej 1°C na godzinę. Tak więc czas chłodzenia materiału odlewanego jest stosunkowo długi w porównaniu do czasu krzepnięcia. W przypadku odlewów o dużej objętoścj, jak na pr:n/kład kadłuby duzycd silników ikysokopręzoych, często czas stygnięcia wynosi kilka tygodni. W odlewniach, z uwagi na ograniczoną przestrzeń, jest do dyspozycji tylko kilka dołów formierskich, w których można wytwarzać takie duże odlewy, a więc długi czas stygnięcia stanowi istotny czynnik ograniczający zdolności produkcyjne i jest niekorzystny z punktu widzenia efektywności produkcji.

Następną wadą znanego sposobu odlewania jest to, ze często, zwłaszcza w przypadku odlewów o dużej masie, przebieg krzepnięcia w materiale odlewanym, w szczególności czas krzepnięcia, nie jest optymalny z metalurgicznego punktu widzenia, tak, że powstaje struktura, która nie ma pożądanych właściwości. Dlatego trzeba zmieniać strukturę odlewu po jego usunięciu z formy poprzez czasochłonną i kosztowną dodatkową obróbkę termiczną, jak na przykład wySarz-nie albo normalizowanie.

Poza tym wadą znanych dziś metod odlewania jest to, ze proces chłodzenia materiału odlewanego wywołuje dndnzne problemy z naprężeniami własnymi we wnętrzu odlewu, w szczególności naprężeniami rozciągającymi. Problem ten jest szczególnie wyraźny w odlewach o złożonej strukturze, jak na przykład kadłuby dużych silników wysokoprężnych. Kadłuby takie (patrz na przykład fig. 1) mają liczne wnęki, w szczególności komory o różnych wymiarach, i przegrody o bardzo różnych grubościach ścianek. Zwłaszcza w tak skomplikowanych odlewach naprężenia własne mogą łatwo doprowadzić do zmian wymiarowych lub pęknięć, tak, że niezbędna jest czasochłonna i kosztowna dodatkowa obróbka termiczna, na przykład odprężanie, żeby zapewnić włdściwąjakość odlewu.

W zgłoszeniu europejskim EP-A-0 065 208 opisane jest wytwarzanie grubościennego odlewu w rodzaju zbiornika, z żeliwa sferoidalngo takiego, jakie używane są jako zbiorniki transportowe dla zużytych elementów paliwowych. Dla wytworzenia struktury pierwotnej odlewu, drobnoziarnistej, bez niejednorodności i nieporowatej, proponuje się, aby zbudować rdzeń formy i formę zewnętrzną jako niepodatne, chłodzić całkowitą powierzchnię wewnętrzną, płynną, odparowującą w systemie, cieczą i tak wymidcować wlewy, że żeliwo krzepnie w nich zanim rozpocznie się eutektycdne krzepnięcie odlewu. Tracony rdzeń formy zawiera przy tym kołnierz z blachy stalowej z przyspawaną pokrywą, które tworzą powierzchnię wewnętrzną gruboście^ego zbiornika. Bldszdny kołnierz i pokrywa rozłączane są po ochłodzeniu i usuwane z odlewu.

Opis DE-C-855 151 ujawnia sposób wytwarzania wlewków stalowych, w którym krzepniecie materiału odlewanego należy przyspieszyć, aby wytworzyć mniej uszkodzeń wewnętrznych w strukturze. Forma odlewnicza według DE-C-855 151 jest formą piaskową z lezącym wewnątrz płaszczem Cl-sz-nym, który formuje zewnętrzną powierzchnię ograniczającą wlewka stalowego i ulega zespawaniu z wlewkiem stalowym. W formie piaskowej ułożonych jest wiele wężownic chłodzących, w których znajduje się woda lub sprężone powietrze. Za pomocą tych wężownic chłodzących ochłodzona zostaje cała zewnętrzna powierzchnia wlewka stalowego.

Obydwa sposoby mają wspólną tę cechę, że można je stosować tylko dla bardzo prostych, symetrycznych odlewów. Konieczny jest tracony płdózcd blaszany, który formuje albo całą wewnętrzną albo całą zewnętrzną powierzchnię.

Dlatego daddniem wynalazku jest, wychodząc ze stanu techniki, zaoferowanie pozbawionego wymienionych wad sposobu odlewania odlewów Sposób odlewania powinien umożliwiać jak najCacddiej efektywne wytwarzanie odlewów metalowych. Zwłaszcza w przypadku odlewów o dużej masie powinno nastąpić znaczne ograniczenie czasu ochładzania. Ponadto sposób ten powinien także pozwalać wytwarzać odlewy o złożonej strukturze, jak kadłuby dużych silników wysokoprężnych, w których można zrezygnować z kosztownej, dodatkowej obróbki termicznej bez obniżenia jakości produktu.

186 378

Sposób odlewania odlewów metalowych z materiału odlewanego, według wynalazku, w którym materiał odlewany wstanie płynnym wprowadza się do formy odlewniczej, w szczególności formy piaskowej, w której materiał odlewany krzepnie i stygnie, przy czym materiał odlewany chłodzi się w formie w sposób sterowany za pomocą układu chłodzenia, charakteryzuje się tym, że w zależności od geometrii odlewu i żądanych efektów metalurgicznych wyznacza się, co najmniej jedną lokalną strefę przestrzenną odlewu, w której z materiału odlewanego znajdującego się w formie odbiera się ciepło w sposób określony i sterowany, że układ chłodzenia dopasowuje się do tej lokalnej strefy dla sterowanego odbierania ciepła, w odniesieniu do jego usytuowania i ukształtowania, i że sterowane odbieranie ciepła z tej lokalnej strefy prowadzi się tylko za pomocą przepływającego powietrza.

Dzięki sterowanemu chłodzeniu można kontrolować aktywnie i w sposób określony, przestrzenny i czasowy przebieg krzepnięcia i/albo przebieg chłodzenia w materiale odlewanym. Pozwala to znacznie skrócić zwłaszcza czas chłodzenia materiału odlewanego do jego temperatury wybijania. Tak więc, na przykład, dół formierski, w którym znajduje się forma odlewnicza, jest dostępny znacznie szybciej dla nowych procesów odlewania, co umożliwia znaczny wzrost wydajności produkcji na takiej samej powierzchni.

Ciepło z materiału odlewanego w formie odbiera się w sposób określony i sterowany przynajmniej w jednej określonej strefie. Tak więc można sterować na przykład krzepnięciem materiału odlewanego odbierając mu w sposób określony ciepło. Taki środek umożliwia na przykład bardzo szybkie krzepnięcie tego materiału przynajmniej w pewnej strefie, dzięki czemu można wpływać częściowo na kształtującą się strukturę krzepnącego odlewu. Tak na przykład, w wyznaczonych strefach materiału odlewanego można uzyskać dużą twardość poprzez sterowane w sposób określony i szybkie krzepnięcie, przy czym nie jest do tego potrzebna dodatkowa obróbka termiczna, jak na przykład wyżarzanie. Powietrze jest tanim, łatwym w obróbce i bezpiecznym czynnikiem chłodzącym.

Korzystnie, w sposobie odlewania według wynalazku odbiera się ciepło w sposób określony i w sposób sterowany z kilku zadanych przestrzennych stref materiału odlewanego w formie, przy czym reguluje się w zasadzie niezależnie od siebie ilości ciepła odbierane z różnych stref.

Zaletą takiego rozwiązania jest w szczególności to, że można wpływać aktywnie i w kontrolowany sposób na przestrzenny przebieg krzepnięcia i/albo chłodzenia. Pozwala to wpływać na właściwości mechaniczne odlewu już podczas jego wytwarzania.

Korzystnie, w różnych miejscach materiału odlewanego mierzy się w sposób ciągły, za pomocą sensorów temperatury lokalną temperaturę wdanym miejscu i wyznaczoną na tej podstawie krzywą temperatury wykorzystuje się do sterowania chłodzeniem.

Korzystnie również minimalizuje się gradient temperatury w materiale odlewanym.

Odbywa się więc ciągłą kontrola przestrzennej krzywej temperatury i ma miejsce aktywne oddziaływanie poprzez sterowane chłodzenie.

Minimalizowanie gradientu temperatury pozwala znacznie zredukować naprężenia rozciągające w odlewie, zwłaszcza w odlewach o złożonej strukturze, jak kadłuby dużych silników wysokoprężnych. Można też zrezygnować z dodatkowej obróbki termicznej, jak odprężanie, bez pogorszenia jakości produktu. Możliwe jest nawet wytworzenie naprężeń ściskających we wnętrzu odlewu.

Korzystnie, układ chłodzenia zawiera przynajmniej jeden układ rurowy dla przepływającego powietrza, a w układzie chłodzenia sprzęga się termicznie układ rurowy z materiałem odlewanym za pomocą środka pośredniczącego.

Korzystnie środek pośredniczący zawiera grafit.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku steruje się ilościami odebranego powietrza za pomocą układu regulacji tak, że gradient temperatury w materiale odlewanym jest minimalny.

Taki prosty środek konstrukcyjny umożliwia kontrolowany wpływ na przestrzenny i czasowy przebieg.

Środek pośredniczący, sprzęgający termicznie układ rurowy z materiałem odlewanym, korzystnie grafit, pozwala uniknąć bezpośredniego styku między materiałem odlewanym

186 378 i układem rurowym, żeby nie doszło do uszkodzenia tego układu. Rury tego układu mogą przebiegać przykładowo w rdzeniach albo pomiędzy rdzeniami formy piaskowej.

Korzystnie, układ chłodzenia zawiera przynajmniej dwa układy rurowe dla przepływającego nośnika ciepła, w szczególności powietrza, za pośrednictwem których w sposób określony i sterowany ciepło odbierane jest z materiału odlewanego w kilku określonych strefach tego materiału, przy czym za pomocą różnych układów rurowych regulowane są ilości odbieranego ciepła w zasadzie niezależnie od siebie.

Taki środek umożliwia aktywny wpływ w szczególności na przestrzenny przebieg krzepnięcia i/albo chłodzenia w materiale odlewanym. Pozwala to realizować najbardziej korzystny pod względem metalurgicznym przebieg krzepnięcia i/albo chłodzenia w zależności od pożądanych właściwości odlewu.

Sposób odlewania według wynalazku jest szczególnie efektywny, ponieważ nie są potrzebne czasochłonne i kosztowne dodatkowe obróbki cieplne.

Wynalazek w przykładach wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kadłub silnika w dole formierskim celem wyjaśnienia pierwszego przykładu realizacji wynalazku, fig. 2 - układ rurowy do odbierania ciepła ze strefy korbowej kadłuba silnika z fig. 1, pokazany w widoku z boku, fig. 3 - układ rurowy widziany z góry w kierunku III-III na fig. 2, fig. 4 - układ rurowy do chłodzenia dna kadłuba silnika z fig. 1, fig. 5-9 przedstawione schematycznie różne warianty przenoszenia ciepła między materiałem odlewanym i nośnikiem ciepła, fig. 10 - koło mimośrodowe dla wyjaśnienia drugiego przykładu realizacji wynalazku, fig. 11 - przekrój koła mimośrodowego wzdłuż linii XI-XI na fig. 10, fig. 12 - widok z góry na płytkę chłodzącą, i fig. 13 - lity blok z wąskim otworem dla wyjaśnienia trzeciego przykładu realizacji wynalazku.

Przez pojęcie „sterowane chłodzenie” - w odróżnieniu od pasywnego krzepnięcia lub chłodzenia - rozumie się aktywne odbieranie ciepła z materiału odlewanego albo formy odlewniczej oraz możliwość kontrolowanego wpływu na ilość odbieranego ciepła.

W opisanych niżej przykładach realizacji wykorzystuje się jako materiał odlewany na przykład żeliwo, a zwłaszcza stop żeliwa szarego.

Pierwszy przykład realizacji wynalazku dotyczy wytwarzania kadłuba dużego silnika wysokoprężnego, jaki wykorzystuje się na przykład w budownictwie okrętowym. Takie kadłuby silników, zwykle o bardzo złożonej strukturze, to znaczy mające wiele wnęk i komór oraz dużą ilość przegród o różnej grubości, odlewa się zwykle w formach piaskowych, które modeluje się odpowiednio do pożądanego kształtu wytwarzanego odlewu, ewentualnie z uwzględnieniem naddatków obróbkowych.

Figura 1 przedstawia częściowo schematycznie kadłub silnikowy 1 w dole formierskim 2, który zaprojektowano jako formę trwałą, czyli do wielokrotnego użytku. Kadłub 1 zawiera strefę korbową 11 i strefę cylindrową 12, w której można zauważyć dwa cylindry 122. Zwykle kadłub 1 zawiera więcej, na przykład dziesięć albo dwanaście cylindrów 122 rozmieszczonych kolejno parami. Nie wchodzi się tu w dalsze szczegóły pokazanego na fig. 1 kadłuba silnikowego 1, ponieważ są one dostatecznie znane i ponadto nie są istotne dla zrozumienia wynalazku.

Celem wytworzenia kadłuba 1 modeluje się najpierw w znany sposób z wielu rdzeni piaskowych kształt kadłuba 1 w dole formierskim 2, który jest wykonany na przykład z masy cementowej. Rdzeń piaskowy wytwarza się z piasku kwarcowego z dodatkiem środka wiążącego albo z innej, podobnej do piasku substancji mineralnej, na przykład przez utwardzanie chemiczne lub termiczne. Poszczególne rdzenie piaskowe, wykorzystywane normalnie tylko jednorazowo, zestawia się i łączy w dole formierskim tak, ze powstające między nimi wnęki odpowiadają w sumie w zasadzie kształtowi wytwarzanego odlewu na kadłub silnikowy 1. Według fig. 1 w zasadzie wszystkie wnęki i komory wytwarzanego kadłuba 1 oraz strefa między kadłubem 1 i dnem 21 albo wewnętrzną ścianką 22 dołu 2 są obsadzone przez odpowiednio uformowane rdzenie piaskowe. Aby poprawić przejrzystość fig. 1, zrezygnowano z dokładnego przedstawienia rdzeni piaskowych i pokazano kadłub 1, który uformowany jest w całości z wnęk między rdzeniami piaskowymi i w tych rdzeniach.

186 378

Po stworzeniu takiej formy piaskowej wlewa się do niej płynny materiał odlewany, zwykle stop odlewniczy, który wpływa do wnęk, gdzie krzepnie i stygnie, w wyniku czego powstaje pokazany kadłub silnikowy 1.

Forma wyposażona jest w układ chłodzenia do sterowanego chłodzenia materiału odlewanego. W przedstawionym na fig. 1 przykładzie realizacji układ chłodzenia zawiera kilka układów rurowych, które tworzą chłodnicę strefy korbowej 3 (patrz fig. 2 i 3) oraz chłodnicę denną 4 (patrz fig. 4). Przez układy rurowe przepływa nośnik ciepła, który pobiera ciepło z materiału odlewanego albo formy odlewniczej. Jako nośnik ciepła stosuje się korzystnie powietrze, ponieważ można łatwo operować tym czynnikiem, jest on bezpieczny, niedrogi i efektywny, także przy zwykle wysokiej temperaturze materiału odlewanego. Powietrze można przetłaczać przez układy rurowe na przykład za pomocą wentylatora albo dmuchawy. Pobieraną z materiału odlewanego ilością ciepła można sterować w prosty sposób regulując natężenie przepływu powietrza za pomocą zaworów, klap dławiących albo innych urządzeń dozujących. Tak więc, na przykład przez zwiększenie prędkości przepływu powietrza albo podwyższenie ciśnienia wprowadzanego powietrza można zwiększyć wydajność układu chłodzenia. W praktyce wypróbowano z powodzeniem zasilanie układów rurowych powietrzem o ciśnieniu do kilkuset tysięcy Pa. Ilością powietrza płynącego w poszczególnych układach rurowych można sterować zarówno po stronie wejściowej jak i po stronie wyjściowej układów rurowych. Jednak ze względów praktycznych korzystne jest sterowanie po stronie wyjściowej.

W pierwszym przykładzie realizacji występują dwa w zasadzie niezależne układy rurowe, mianowicie chłodnica strefy korbowej 3 i chłodnica denna 4. Umożliwia to określony i sterowany odbiór ciepła z materiału odlewanego w jego różnych strefach przestrzennych, przy czym ilości ciepła odbierane z różnych stref mogą być regulowane w zasadzie niezależnie od siebie. Takie lokalne odbieranie ciepła umożliwia kontrolowany wpływ na krzywą temperatury, a więc na rozkład temperatury w materiale odlewanym. Poprzez usytuowanie i kształt układu rurowego albo przebieg rur tego układu w formie odlewniczej można ustalać strefy odprowadzania ciepła z materiału odlewanego za pomocą układów rurowych. Ostateczne ukształtowanie i usytuowanie układów rurowych zależy od geometrii odlewu i od konkretnego zastosowania.

W pierwszym przykładzie realizacji chłodnica strefy korbowej 3 służy do lokalnego odprowadzania ciepła z materiału odlewanego w obszarze między strefą korbową 11 i strefą cylindrową 12, a wiec tam, gdzie z uwagi na geometrie odlewu może dojść do nadmiernej kumulacji ciepła. Chłodnica denna 4 służy do odprowadzania ciepła ze spodu kadłuba silnikowego 1.

Poza tym w układzie znajdują się czujniki temperatury 5a, 5b, 5c, na przykład termoelementy zalane w materiale odlewanym, za pomocą których wyznacza się ^w sposób ciągły lokalną temperaturę materiału odlewanego w różnych miejscach. W pierwszym przykładzie realizacji pierwszy czujnik 5a jest usytuowany w obrębie dna, drugi czujnik 5b na środku między strefą cylindrową 12 i strefą korbową 11 a trzeci czujnik 5c w obrębie kołnierza kadłuba silnikowego 1. Z wartości zmierzonych trzema czujnikami 5a, 5b, 5c można wyznaczyć chwilowy rozkład temperatury w materiale odlewanym. Czujniki 5a, 5b, 5c przekazują swoje zmierzone wartości na przykład do układu regulacji 6, za pomocą którego można sterować wielkościami przepływu powietrza w przewodach rurowych. Za pomocą układu regulacji 6 steruje się natężeniem przepływu powietrza w poszczególnych układach rurowych, na przykład poprzez odpowiednie wysterowanie nie pokazanych na rysunku przyrządów dławiących. Zależnie od aktualnego rozkładu temperatury w odlewie odbiera się w tej lub innej strefie odlewu większą albo mniejszą ilość ciepła na jednostkę czasu. Jeżeli na przykład w strefie drugiego czujnika temperatury 5b dojdzie do nadmiernego ogrzania, rozpoznawanego po. dużej różnicy temperatur mierzonych przez drugi czujnika 5b i trzeci czujnik 5c, to układ regulacji 6 zwiększa wydajność chłodnicy strefy korbowej 3 przez zwiększenie szybkości przepływu powietrza, tak, ze obie te temperatury zbliżają się do siebie.

Układ rurowy tworzący chłodnicę strefy korbowej 3 przedstawiony jest na fig. 2 w widoku z boku i na fig. 3 w widoku z góry w kierunku III-III zaznaczonym na fig. 2.

186 378

Chłodnica 3 wykonana jest jako jedna część z rury, przykładowo, rury stalowej. Chłodnica 3 ma ramię doprowadzające 31, które przechodzi w zakrzywioną część 33 mającą kształt prawie zamkniętego S. Drugi koniec esowej części 33 przechodzi w ramię odprowadzające 32, które przebiega w zasadzie równolegle do ramienia 31. Esowa część 33 chłodnicy strefy korbowej jest umieszczona w formie odlewniczej tak, ze styka się z oznaczoną na fig. 1 odnośnikiem 30 powierzchnią, która stanowi w zasadzie granicę między strefą korbową 11 i strefą cylindrowa 12. Odpowiednio do kształtu tej powierzchni 30 są nachylone względem siebie oba łuki esowej części 33, tak, ze w widoku z boku według fig. 2 tworzą one układ V. Oba łuki części 33 są zakrzywione tak, że dopasowują się do ścianki cylindra 122. Korzystnie na esowej części 33 umieszczono kilka płytek 34, na przykład z grafitu, dobrze przewodzących ciepło, za pośrednictwem których chłodnica 3 przylega do powierzchni 30. Zapewnia to możliwie jednorodne i dobre przekazywanie ciepła z materiału odlewanego do chłodnicy 3. Oczywiście na każdą parę cylindrów przewidziana jest taka chłodnica strefy korbowej 3. Doprowadzające i odprowadzające ramiona 31, 32 przebiegająjak na fig. 1 od powierzchni 30 przez strefę korbową 11 do góry. Ramiona doprowadzające 31 indywidualnie albo poprzez wspólny przewód centralny, do którego uchodzą, są połączone ze środkiem doprowadzającym powietrze, przykładowo wentylatorem albo dmuchawą. Ramiona odprowadzające 32 wyprowadzone są korzystnie pojedynczo z formy odlewniczej celem lepszego sterowania i kontroli.

Na fig. 4 przedstawiono układ rurowy tworzący chłodnicę denną 4, która jest umieszczona na dnie dołu formierskiego 2 i zawiera przewód główny 41, który rozciąga się w zasadzie na całej szerokości kadłuba silnikowego 1. Od przewodu głównego 41 odgałęziają się cztery rurki 42 mające w zasadzie kształt U, których tylko jedno ramię jest połączone z głównym przewodem doprowadzającym 41. Przez to ramię płynie powietrze do U-rurek, jak zaznaczono strzałkami na fig. 4. Drugie ramię każdej z U-rurek 42 przewodzi powietrze odpływowe do wylotu 43. Celem usprawnienia sterowania i kontroli wyloty 43 wychodzą pojedynczo z formy odlewniczej. Między ramionami U-rurek 42 umieszczono, na przykład przyspawano, wiele płytek stalowych 44, żeby uzyskać równomierne chłodzenie strefy dennej kadłuba silnikowego 1. Celem przyspieszenia przekazywania ciepła między materiałem odlewanym i chłodnicą denną 4 zastosowany jest czynnik pośredniczący, na przykład płytki grafitowe 45, które są umieszczone między płytkami stalowymi 44 i materiałem odlewanym w albo między sąsiadującymi z dnem rdzeniami piaskowymi formy odlewniczej. Poza tym występuje tu przewód doprowadzający 1 (fig. 1), przez który doprowadza się zimne powietrze na poziom przewodu głównego 41. Rurki chłodnicy dennej 4 mogą być na przykład ze stali.

W pierwszym przykładzie realizacji wynalazku naczelnymi celami są: znaczne skrócenie czasu chłodzenia kadłuba silnikowego w formie odlewniczej 1, a więc skrócenie procesu produkcyjnego, oraz takie zredukowanie naprężeń własnych odlewu, żeby można było zrezygnować z odprężania.

Pierwszy z wymienionych celów osiąga się poprzez aktywne odbieranie ciepła z materiału odlewanego za pośrednictwem powietrza przepływającego układami rurowymi. Dzięki temu odprowadza się ciepło znacznie szybciej niż na przykład przy pasywnym ochładzaniu. Praktyka wykazuje, że za pomocą aktywnego sterowanego chłodzenia można skrócić czas chłodzenia, a więc czas przebywania kadłuba silnikowego 1 w formie odlewniczej do uzyskania temperatury wybijania, do około jednej trzeciej czasu pasywnego chłodzenia. Oznacza to znaczący postęp w efektywności produkcji.

Z ekonomicznego punktu widzenia korzystne jest również to, że podgrzane powietrze wychodzące z układów rurowych można wykorzystać do suszenia innych form odlewniczych, a więc nie traci się energii zawartej w nagrzanym powietrzu.

Drugi cel można osiągnąć, jeżeli za pomocą sterowanego chłodzenia według wynalazku nastąpi wyrównanie przebiegu temperatury w strefie czujników 5a i 5b z przebiegiem temperatury w strefie czujnika 5c. Oznacza to, że poprzez regulację natężenia przepływu powietrza w chłodnicy strefy korbowej 3 i w chłodnicy dennej 4 minimalizuje się gradient temperatury w materiale odlewanym. Sterowany i lokalny odbiór ciepła z różnych stref materiału odlewanego umożliwia bardzo jednorodne chłodzenie, czyli z bardzo małymi różnicami temperatury wewnętrznej. W miejscu nadmiernej kumulacji ciepła, a więc na przykład w strefie czujnika

186 378 temperatury 5b, następuje takie zwiększenie wydajności chłodzenia odpowiedniego układu rurowego (chłodnica strefy korbowej 3), że poprzez lokalne odbieranie ciepła następuje wyrównanie temperatury tego miejsca z temperaturą w strefie czujnika 5c. Takie jednorodne ochładzanie pozwala znacznie zredukować naprężenia własne w odlewie. Istnieje też możliwość takiego ochłodzenia strefy czujnika 5b, że panuje tu lokalnie niższa temperatura niż w strefie czujnika 5c i czujnika 5a. Umożliwia to w zasadzie wytworzenie naprężeń ściskających w strefie czujnika temperatury 5b.

Tak więc, w pierwszym przykładzie realizacji wynalazku można wpływać w kontrolowany sposób zarówno na przestrzenny przebieg chłodzenia (krzywa temperatury) jak i na czasowy przebieg chłodzenia (szybkość chłodzenia). Oznacza to wyraźne rozszerzenie możliwości techniki odlewniczej, ponieważ można optymalizować przestrzenny i czasowy przebieg chłodzenia materiału odlewanego z punktu widzenia wymagań metalurgicznych, w zależności od geometrii i pożądanych właściwości mechanicznych wytwarzanego odlewu.

Na fig. 5 do fig. 9 przedstawione zostały schematycznie różne warianty przenoszenia ciepła między materiałem odlewanym 10 i nośnikiem ciepła, którym jest powietrze i który przepływa w przewodzie 8 jednego z układów rurowych. Powietrze jako nośnik ciepła oznaczone jest symbolicznie strzałką. W najprostszym przypadku (patrz fig. 5) przewód 8 przebiega we wnętrzu rdzenia piaskowego 9, tak, że piasek stanowi środek pośredniczący, który sprzęga termicznie układ rurowy z materiałem odlewanym. Można też zastosować jako czynnik pośredniczący (patrz fig. 6, fig. 7 i fig. 9) materiał lepiej przewodzący ciepło, korzystnie grafit 20. W wariancie pokazanym na fig. 6 przewód 8 jest całkowicie otoczony grafitem 20. Można to zrealizować na przykład formując przewód 8 przynajmniej na części jego długości w korpusie grafitowym. W wariancie pokazanym na fig. 7 między przewodem 8 i materiałem odlewanym 10 również znajduje się grafit 20 jako środek pośredniczący, ale przewód 8 po stronie przeciwnej względem materiału graniczy z rdzeniem piaskowym 9. Celem zrealizowania tego wariantu, jak przedstawiono w przekroju na fig. 9, przewód 8 może być osadzony z jednej strony częściowo w rdzeniu piaskowym 9 i z drugiej strony może stykać się z grafitem 20, na przykład z płytą grafitową. Przy tym korzystnie dla poprawienia przenoszenia ciepła, jak pokazano na fig. 9, przestrzeń między grafitem 20, przewodem 8 i rdzeniem piaskowym 9 wypełnia się umożliwiającym formowanie środkiem 22 dobrze przewodzącym ciepło. Nadaje się do tego na przykład proszek grafitowy, granulat grafitowy albo proszek lub granulat grafitowy, który jest zmieszany z dobrze przewodzącą ciepło żywicą, na przykład spoiwem furanowym. W wariancie przedstawionym na fig. 8 przewód 8 jest otoczony elementem z żelaza 21, na przykład jest w nim zalany. Między elementem z żelaza 21 i materiałem odlewanym 10 znajduje się znów grafit 20.

Drugi przykład realizacji wynalazku dotyczy wytwarzania dużych kół mimośrodowych, które wykorzystuje się na przykład w dużych prasach, jak prasy samochodowe. W pierwszym przykładzie realizacji ukazano przede wszystkim możliwość sterowania procesem chłodzenia materiału odlewanego, natomiast drugi przykład realizacji objaśnia, jak można zastosować korzystnie wynalazek do sterowania procesem krzepnięcia w materiale odlewanym.

Na fig. 10 pokazano połowę znanego koła mimośrodowego 50, które ma zewnętrzny wieniec zębaty 51. Celem lepszego zrozumienia pokazano jeszcze na fig. 11 przekrój koła 50 wzdłuż linii XI-XI na fig. 10. Również takie koła mimośrodowe 50 odlewa się zwykle w odpowiednio wymodelowanych formach piaskowych. Ze względu na przejrzystość rysunku na fig. 10 i 1 1 nie pokazano formy piaskowej.

Takie koła mimośrodowe 50, zwłaszcza na wieńcu zębatym 51, muszą mieć bardzo dobre właściwości mechaniczne, w szczególności bardzo dużą twardość, żeby sprostać wymaganiom wynikającym z długotrwałej i ciągłej pracy. Przy tym struktura w obrębie wieńca zębatego 51 powinna być także wolna od wytrąceń cementytowych. Nie można zrealizować znanymi metodami odlewania takich wysokich wymagań strukturalnych, tak, że struktura odlewu po wyjęciu z formy musi być przekształcona za pomocą kosztownej dodatkowej obróbki cieplnej (np. normalizowanie z chłodzeniem powietrzem i wreszcie odprężanie), żeby uzyskać na przykład wymaganą twardość. Dużą wadą z punktu widzenia kosztów obróbki jest to, że

186 378 w ramach dodatkowej obróbki cieplnej przekształcana jest struktura całego koła mimośrodowego 50, a nie tylko strefy, które powinny mieć dużą twardość.

Dzięki sterowanemu chłodzeniu według wynalazku poprzez odprowadzanie ciepła w sposób określony można teraz przyspieszyć krzepnięcie w strefie, która powinna mieć dużą twardość, czyli w strefie wieńca zębatego 51, tak, że wieniec 51 ma bardzo drobną strukturę o małych ziarnach eutektyki i jest całkowicie perlityczny. Dzięki sterowanemu chłodzeniu można więc osiągnąć potrzebną twardość wieńca zębatego 51 bez dodatkowej obróbki cieplnej, przy czym nie wpływa się w zasadzie na pozostałą część koła mimośrodowego 50.

W drugim przykładzie realizacji układ chłodzenia zawiera wiele płyt chłodzących 60 rozmieszczonych na obwodzie koła mimośrodowego 50. Dla poprawy przenoszenia ciepła między każdą płytą chłodzącą 60 i kołem 50 umieszczony jest środek dobrze przewodzący ciepło, na przykład element grafitowy 70, przy czym powierzchnia każdego z elementów 10 jest dopasowana do krzywizny koła mimośrodowego.

Na fig. 12 przedstawiona jest taka płyta chłodząca 60 w widoku z góry. Płyta chłodząca 60 jest w zasadzie kwadratowa i ma układ rurowy, który w tym przykładzie wykonania jest ukształtowany jako jednoczęściowy przewód rurowy 61. Przewód 61 prowadzi od wlotu 62 zimnego powietrza przez wnętrze kwadratowej płyty 60 do wylotu 63. We wnętrzu płyty chłodzącej 60 przewód 61 przebiega najpierw równolegle do obwodu płyty chłodzącej 60, potem zakrzywia się w kierunku środka płyty chłodzącej 60 i prowadzi w odwrotnym kierunku do wylotu 63. Kierunek przepływu powietrza zaznaczona strzałkami na fig. 11 i 12. Płyta chłodząca 60 może być wykonana na przykład z litego bloku stalowego lub żelaznego, w którym odlany jest przewód rurowy 61.

Różne płyty chłodzące 60 (patrz fig. 10) mogą być zasilane powietrzem indywidualnie, grupowo albo wspólnie, każdorazowo poprzez wlot 62. Sterując natężeniem przepływu powietrza przez płyty chłodzące 60 można sterować w sposób określony ilością ciepła odprowadzanego z materiału odlewanego w strefie wieńca zębatego 51.

Można więc wpływać lokalnie w sposób kontrolowany na krzepnięcie materiału odlewanego. Rozmieszczając odpowiednio płyty chłodzące 60 albo podobne elementy chłodzące można ustalić strefę odlewu, w której ma nastąpić przyspieszenie krzepnięcia poprzez celowe i sterowane odprowadzanie ciepła.

Wynalazek umożliwia więc kontrolowany wpływ na przestrzenny i czasowy przebieg krzepnięcia w materiale odlewanym. W efekcie następuje również rozszerzenie możliwości techniki odlewniczej, ponieważ można w sposób określony i lokalnie wpływać na strukturę kształtującą się podczas krzepnięcia.

Trzeci przykład realizacji wynalazku dotyczy wytwarzania odlewów, które mają lite, grube partie lub bloki, w których przewidziane są stosunkowo wąskie otwory. Figura 13 pokazuje fragment takiego odlewu, który posiada lity blok 80 (zakreskowany) ze znajdującym się w nim stosunkowo wąskim otworem 81. Również odlew widoczny w przekroju na fig. 13 wykonuje się na przykład w nie pokazanej na rysunku formie piaskowej. Do wykonania wąskiego otworu 81 zastosowany jest rdzeń piaskowy 90, który blokuje przepływ materiału odlewanego z części formy odlewniczej, w której odlew ma mieć później wąski otwór 81. W odlewaniu konwencjonalnym znany jest problem nadmiernej kumulacji ciepła w strefie takich wąskich otworów 81. Powoduje to często tak duże nagrzanie się piasku w rdzeniu 90, że zostaje przekroczona temperatura penetracji piasku i materiał odlewany przenika do rdzenia piaskowego 90. Powstałą mieszankę piasek-żeliwo trzeba z trudem usuwać dłutem po wyjęciu odlewu z formy, co jest czynnością czasochłonną i szkodliwą dla stawów pracownika.

Dzięki sterowanemu chłodzeniu według wynalazku można rozwiązać także ten problem. Za pomocą układu rurowego przebiegającego we wnętrzu rdzenia piaskowego 90, przez który przepływa powietrze jako nośnik ciepła, odbiera się w sposób określony ciepło z tej strefy odlewu, w której znajduje się wąski otwór 81. Tak więc, po pierwsze przyspiesza się krzepnięcie albo chłodzenie materiału odlewanego w obrębie wąskiego otworu 81 oraz steruje się tym procesem poprzez odpowiednią regulację natężenia przepływu powietrza. Po drugie można skutecznie uniknąć nagrzania rdzenia piaskowego 90 powyżej temperatury penetracji.

186 378

W przedstawionym na fig. 13 litym bloku układ rurek chłodzących ma postać rurki 91 w kształcie podwójnego U. Powietrze przepływające rurką 91 oznaczone jest strzałkami. Taką podwójną U-rurkę 91 można wykonać wyginając najpierw prostą rurkę w kształt U i następnie zaokrąglony koniec U zagina się w kierunku otwartego końca U.

Chociaż opisane tu przykłady realizacji dotyczą odlewania w formach piaskowych, to wynalazek nie ogranicza się oczywiście tylko do takich przykładów. Jest on również przydatny przy odlewaniu kokilowym (metalowe formy odlewnicze wykonane najczęściej z żeliwa) albo też w takich metodach i formach odlewniczych, w których część odlewu jest uformowana wkokilach a inna część w formie piaskowej. W razie wykorzystywania kokili można na przykład wykonać układy rurkowe dla nośnika ciepła w ściance kokili. Przykładowo można odlać układy rurkowe w kokilach.

Sposób odlewania według wynalazku pozwala więc na kontrolowany wpływ poprzez sterowane chłodzenie na przestrzenny i czasowy przebieg krzepnięcia i/albo chłodzenia w materiale odlewanym. Pozwala to znacznie zredukować czas chłodzenia, zwłaszcza odlewów o dużej masie. Ponadto, można wytwarzać odlewy metalowe o bardzo dobrej jakości bez potrzeby stosowania kosztownych dodatkowych obróbek cieplnych, jak na przykład odprężanie dla zredukowania naprężeń własnych albo normalizowanie potrzebne do przemiany struktury. Oznacza to poważną oszczędność czasu i kosztów.

Usytuowanie i rozmieszczenie układu chłodzenia zależy od geometrii wytwarzanego odlewu i od konkretnego zastosowania, to znaczy od wymaganych efektów metalurgicznych. Na podstawie tych kryteriów określa się przestrzenne strefy odlewu, z których ma być odbierane ciepło w sposób określony i sterowany.

186 378

I

186 378

OJ

Ó)

Ll

			ś	w		-ή
	Z			/	z
		Z'	—σ —σ	Z
	z	z-		Z	z
» —__	z	z		Z	z
	z	z		z	z
	z	z		z	z
	z	z		z	z
	z	z		z	z
	z	z		z	z
	Z'	z		z	z
J 1		1	J		¹	t

L co

186 378

> χχ χ χχ χχχ XXX XXX XXX χχχ XXX X XX X XX χΧχ χχχ χχχ χχχ X XX Χχχ χχχ

Fig.6 * * * % γ* * i * ί** *

χ> X * * * X·* X X* ł X XX Χχ i Χχχ X X* txi XXX Xt x t XX ł* * X *» xx 4 łU X xi * X » * rt X tri

-ίΊ-Ι-Ι·Μ-Ι·Ι·ΐΙΐ-|.|·|.|ΊΊ·|ιί·ΙΊψ|,|·Ι

1(H

10—-i

Fig.9 x x> yx χχχ xx Q yχ/χχχχ

7Xa

X X<XXX X χχ> χχ> X y χχ χ ν y y

186 378

Fig. 11

186 378

Fig.12

Fig.13

186 378

CJ

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób odlewania odlewów metalowych, w którym materiał odlewany w stanie płynnym wprowadza się do formy odlewniczej, w szczególności formy piaskowej, w której materiał odlewany krzepnie i stygnie, przy czym materiał odlewany chłodzi się w formie w sposób sterowany za pomocą układu chłodzenia, znamienny tym, że w zależności od geometrii odlewu i żądanych efektów metalurgicznych, wyznacza się, co najmniej jedną lokalną strefę przestrzenną odlewu, w której z materiału odlewanego znajdującego się w formie odbiera się ciepło w sposób określony i sterowany, że układ chłodzenia (3, 4; 60, 91) dopasowuje się do tej lokalnej strefy dla sterowanego odbierania ciepła, w odniesieniu do jego usytuowania i ukształtowania, i że sterowane odbieranie ciepła z tej lokalnej strefy prowadzi się tylko za pomocą przepływającego powietrza.
2. Sposób odlewania według zastrz. 1, znamienny tym, że z materiału odlewanego znajdującego się w formie odbiera się ciepło w sposób określony i sterowany, w kilku wyznaczonych strefach przestrzennych, przy czym reguluje się niezależnie od siebie ilości ciepła odbierane w różnych strefach i ilości ciepła odebrane z różnych lokalnych stref reguluje się w zasadzie niezależnie od siebie.
3. Sposób odlewania według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w różnych miejscach materiału odlewanego mierzy się w sposób ciągły za pomocą czujników temperatury (5a, 5b, 5c), lokalną temperaturę w danym miejscu i wyznaczoną na tej podstawie krzywą temperatury wykorzystuje się do sterowania chłodzeniem.
4. Sposób odlewania według zastrz. 3, znamienny tym, że minimalizuje się gradient temperatury w materiale odlewanym.
5. Sposób odlewania według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że steruje się krzepnięciem materiału odlewanego poprzez odprowadzanie ciepła w określony sposób.
6. Sposób odlewania według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że układ chłodzenia zawiera przynajmniej jeden układ rurowy (3, 4; 61, 91) dla przepływającego powietrza, i że w układzie chłodzenia (3, 4; 60, 91) sprzęga się termicznie układ rurowy (3, 4; 61, 91) z materiałem odlewanym (10) za pomocą środka pośredniczącego (9, 20; 21, 22).
7. Sposób odlewania według zastrz. 6, znamienny tym, że środek pośredniczący (9, 20; 21, 22) zawiera grafit.
8. Sposób odlewania według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że steruje się ilościami odebranego powietrza za pomocą układu regulacji (6) tak, że gradient temperatury w materiale odlewanym jest minimalny.