PL190635B1 - Sposób ciśnieniowego odlewania stopu magnezu i układ przepływu metalu w urządzeniu do ciśnieniowegoodlewania stopu magnezu - Google Patents

Abstract

1. Sposób cisnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie pólstalym, polegajacy na prowadzeniu rozto- pionego stopu magnezu kanalem doprowadzajacym i wtryskiwaniu we wneke formy, znamienny tym, ze strumien stopu opuszczajacy kanal (26) doprowadzajacy poddaje sie kontrolowanemu rozszerzaniu na boki wzgledem kierunku wtryskiwania, przy czym stosuje sie predkosc przeplywu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzajacym mieszczaca sie w zakresie 140-165 m/s oraz stosuje sie predkosc przeplywu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania wyno- szaca 25-50% mniej niz predkosc przeplywu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzajacym. 6. Uklad przeplywu metalu w urzadzeniu do cisnie- niowego odlewania stopu magnezu, w stanie pólstalym, polaczony z forma zaopatrzona we wneke i majacy co najmniej jeden kanal doprowadzajacy pomiedzy zródlem zasilania roztopionym stopem a wneka formy, znamienny tym, ze kanal (26) doprowadzajacy jest polaczony z co najmniej jednym obszarem kontrolowa- nego rozszerzania o zwiekszajacym sie polu przekroju poprzecznego, przy czym stosunek pola przekroju po- przecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania do pola przekroju poprzecznego kanalu (26) doprowadzaja- cego miesci sie w zakresie od 2:1 do 4:1. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób ciśnieniowego odlewania stopu magnezu i układ przepływu metalu w urządzeniu do ciśnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie półstałym.

190 635

W przemyśle odlewania ciśnieniowego panuje pogląd, że ze względu na mniejszą pojemność cieplną stopów magnezu w porównaniu ze stopami cynku i aluminium trzeba stosować duże kanały doprowadzające i wlewy, by uniknąć przedwczesnego krzepnięcia roztopionego stopu magnezu. Rzeczywiście, jest to praktyka uważana za najlepszą przez przemysł, chociaż interpretacje różnią się znacznie.

Jest znane wiele różnych rozwiązań, które mają na celu zapewnienie wykonywania zadowalających odlewów ze stopów magnezu. Jednakże odlewy ciśnieniowe ze stopu magnezu wytwarzane tymi sposobami zwykle wykazują większy stopień wad powierzchniowych niż ciśnieniowe odlewy cynku lub aluminium.

Z opisu DE 196 06 806 jest znany sposób i urządzenie do tiksotropowego odlewania ciśnieniowego metali. Stop metalu, w postaci wstępnie przygotowanego kęsa, podgrzewa się do stanu półstałego. Jest to stan częściowego stopienia, pośredni pomiędzy stanem stałym a stanem ciekłym. Tak przygotowany stop wytłacza się z cylindrów z prędkością przepływu wynoszącą 4-15 m/s do węższych kanałów doprowadzających. Powoduje to zwiększenie prędkości przepływu, ale nadal pozostaje ona niska. Z kanałów doprowadzających stop wpływa do wnęki formy, gdzie jego prędkość przepływu maleje. W żadnym etapie procesu stan skupienia stopu nie ulega zmianie. Pozostaje on półstałym stopem aż do chwili wypełnienia do wnęki formy. Niezbędne jest dokładne sterowanie temperaturą, aby zapobiec dalszemu topieniu, czy ponownemu zakrzepnięciu przed wytłoczeniem.

Sposób ciśnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie półstałym, polegający na prowadzeniu roztopionego stopu magnezu kanałem doprowadzającym i wtryskiwaniu we wnękę formy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że strumień stopu opuszczający kanał doprowadzający poddaje się kontrolowanemu rozszerzaniu na boki względem kierunku wtryskiwania, przy czym stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w kanale doprowadzającym mieszczącą się w zakresie 140-165 m/s oraz stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania wynoszącą 25-50% mniej niż prędkość przepływu strumienia stopu w kanale doprowadzającym.

Korzystnie, prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania zmniejsza się skokowo.

Ewentualnie, prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania zmniejsza się postępująco.

Stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w kanale doprowadzającym wynoszącą, korzystnie, około 150 m/s.

Stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania wynoszącą, korzystnie, około 2/3 prędkości przepływu strumienia stopu w kanale doprowadzającym.

Układ przepływu metalu w urządzeniu do ciśnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie półstałym, połączony z formą zaopatrzoną we wnękę i mający co najmniej jeden kanał doprowadzający pomiędzy źródłem zasilania roztopionym stopem a wnęką formy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kanał doprowadzający jest połączony z co najmniej jednym obszarem kontrolowanego rozszerzania o zwiększającym się polu przekroju poprzecznego, przy czym stosunek pola przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania do pola przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego mieści się w zakresie od 2:1 do 4:1.

Obszar kontrolowanego rozszerzania stanowi, korzystnie, wlew metalu bezpośrednio do wnęki formy.

Obszar kontrolowanego rozszerzania znajduje się, ewentualnie, co najmniej częściowo wewnątrz wnęki formy i ograniczają go powierzchnie tworzące tę wnękę w pobliżu miejsca, w którym stop wpływa we wnękę.

W szczególności, w miejscu, w którym stop wpływa we wnękę znajduje się wlew, stanowiący wylotowy koniec kanału doprowadzającego poza obszarem kontrolowanego rozszerzania.

Ewentualnie, w miejscu, w którym stop wpływa we wnękę znajduje się wlew, stanowiący część obszaru kontrolowanego rozszerzania.

W szczególności, pole przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania zwiększa się skokowo względem pola przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego.

190 635

Względnie, pole przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania zwiększa się postępująco względem pola przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego.

Stosując sposób i układ według wynalazku możliwe jest wytwarzanie odlewów ciśnieniowych dobrej jakości ze stopów magnezu. Tak wytworzone odlewy mogą mieć jakość porównywalną z jakością uzyskiwaną w przypadku odlewów ze stopów aluminium lub cynku. Rozwiązania według wynalazku umożliwiają znaczne polepszenie wydajności odlewania, to znaczy procentowego stosunku ciężaru odlewu do ciężaru całego wprowadzanego metalu. Można dzięki temu znacznie zmniejszyć ciężar metalu, który trzeba odzyskać i powtórnie przetworzyć, a to oznacza zmniejszenie kosztów produkcji.

Dzięki odlewaniu stopu magnezu w stanie półstałym napełnianie wnęki formy odbywa się stopniowo przez półstałe czoła metalu poruszającego się od wlewu lub innego miejsca wprowadzania. Taka postać napełniania stopem magnezu jest głównym odejściem od bardzo skomplikowanego napełniania obwodowego cieczą, po którym następuje napełnianie zwrotne spotykane przy odlewaniu ciśnieniowym stopów aluminium lub cynku i opisane po raz pierwszy przez Frommera w 1932 roku (patrz publikacja „Die Casting”, H. H. Doehler, 1991, McGraw-Hill Publishing, Inc.).

Obszar kontrolowanego rozszerzania zawiera wlew, przez który metal przepływa z kanału doprowadzającego we wnękę formy. Rzeczywiste pole przekroju poprzecznego dla przepływu przez wlew jest większe niż rzeczywiste pole przekroju poprzecznego dla przepływu przez kanał doprowadzający, na skutek czego roztopiony metal ma prędkość przepływu w kanale doprowadzającym większą niż prędkość poprzez wlew. Jest to sprzeczne z aktualnie zalecaną praktyką.

Rzeczywiste pole przekroju poprzecznego dla przepływu przez kanał doprowadzający może być zachowane na całej długości kanału doprowadzającego. Jednakże to rzeczywiste pole przekroju poprzecznego może być zachowane tylko na części tej długości. W tym ostatnim przypadku może być stosowane większe pole przekroju poprzecznego dla przepływu przez wlotową część kanału doprowadzającego.

Obszar kontrolowanego rozszerzania utworzony przez wnękę może być traktowany jako pseudowlew i na ogół wzmianka o wlewie poniżej powinna być rozumiana jako obejmująca zarówno rzeczywisty wlew', jak i pseudowlew.

Rozwiązania według wynalazku nadają się do stosowania w gorącokomorowym lub zimnokomorowym odlewaniu ciśnieniowym. W każdym przypadku umożliwiają bardzo duże zmniejszenie kosztów produkcji odlewów z magnezu, ponieważ, jak przedstawiono dalej, pozwalają na znaczne polepszenie wydajności odlewania. Ponieważ ciężar metalu z nadlewu, który trzeba odzyskać i powtórnie przetworzyć jest znacznie zmniejszony, rozwiązano szczególnie ważne zagadnienie w odlewaniu magnezu.

Jednakże prędkość przepływu strumienia stopu w kanale doprowadzającym mieszcząca się w zakresie 140-165 m/s nie musi obowiązywać na całej długości tego kanału. Wystarczy, jeżeli prędkość ta jest osiągana w tej części kanału doprowadzającego, która ma mniejszy rzeczywisty przekrój poprzeczny niż przekrój innych części tego kanału.

Powyżej jest mowa o rzeczywistym polu przekroju poprzecznego dla przepływu przez obszar kontrolowanego rozszerzania i przez kanał doprowadzający, jako różniącym się od fizycznego pola przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania i kanału doprowadzającego. Rozróżnienie to jest ważne. W rozwiązaniach z dużymi kanałami doprowadzającymi i wlewami, zgodnie z dotychczasową najlepszą praktyką odlewania stopów magnezu i podobnie do praktyki odlewania stopów aluminium i cynku, rzeczywista droga przepływu w kanałach doprowadzających biegnie poprzez obszar cylindryczny o polu przekroju poprzecznego znacznie mniejszym niż fizyczne pole przekroju poprzecznego kanałów doprowadzających. Znacznie mniejsze pole przekroju poprzecznego obszaru przepływu dotyczy nieco scentralizowanego rdzenia, w którym roztopiony metal przepływa przez kanały doprowadzające i który jest usytuowany wewnątrz tulei co najmniej częściowo zakrzepłego metalu o znacznej grubości ścianek. Dla danego pola przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego, pole przekroju poprzecznego tego obszaru przepływu jest większe, kiedy forma jest gorąca.

Ta różnica pomiędzy rzeczywistym polem przekroju poprzecznego dla przepływu przez kanał doprowadzający a fizycznym polem przekroju poprzecznego dla przepływu przez kanał

190 635 doprowadzający jest mniej wyraźna w kanale doprowadzającym rozwiązania według wynalazku. Często różnicę tę można zasadniczo wyeliminować. Aby ułatwić osiągnięcie tej sytuacji, wlotowa część kanału doprowadzającego dla układu gorącokomorowego może być utworzona przez człon wykonany z odpowiedniego materiału ceramicznego, który umożliwia utrzymywanie cyklu temperaturowego uniemożliwiającego krzepnięcie metalu na powierzchniach tego członu, który tworzy kanał doprowadzający. Alternatywnie, taka wlotowa część długości kanału doprowadzającego układu gorącokomorowego lub zimnokomorowego może być utworzona przez człon dostosowany do cyrkulacji płynu wymiany ciepła albo przez zastosowanie elektrycznego urządzenia grzejnego.

Dotychczasowa praktyka wymagała dużych układów kanałów doprowadzających o przekroju poprzecznym większym niż wlew, to znaczy sytuacja była odwrotna niż w rozwiązaniu według wynalazku, jeśli chodzi o przekroje poprzeczne kanału doprowadzającego i obszaru kontrolowanego rozszerzania. W konsekwencji, znane układy powodowały stosunkowo dużą ilość metalu w nadlewie, a zatem wysokie koszty odzyskiwania i powtórnego przetwarzania metalu z nadlewów. Dotychczasowa praktyka zwykle powodowała, że ciężar metalu w nadlewie był większy niż 50% ciężaru odlewu, a w niektórych przypadkach ponad 100%. To znaczy ilość metalu w nadlewie może być większa niż w odlewie.

W odróżnieniu od znanych rozwiązań, rozwiązania według wynalazku umożliwiają znaczne zmniejszenie ilości metalu w nadlewie tak, że stanowi ona mniej niż 30% ciężaru odlewu w przypadku maszyn zimnokomorowych. W wielu przypadkach, zwłaszcza w maszynach gorącokomorowych, rozwiązania według wynalazku umożliwiają, że ilość metalu w nadlewie jest znacznie mniejsza, np. wynosi około 5% lub nawet około 2%. Stanowi to oczywiście znaczną praktyczną zaletę, ponieważ odpowiednio maleje koszt przetwarzania odzyskanego metalu.

Rozwiązania według wynalazku umożliwiają znaczne zmniejszenie ilości metalu w nadlewie jako bezpośredni wynik zmniejszenia przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego, a dalsze zmniejszenie umożliwia skrócenie długości kanału doprowadzającego. Przekrój poprzeczny można zmniejszyć tak, że jest on zasadniczo zgodny z rzeczywistym przekrojem poprzecznym dla przepływu przez kanał doprowadzający. Jednakże rzeczywisty przekrój poprzeczny dla przepływu musi być zachowany tylko na części długości kanału doprowadzającego, takiej jak mniejsza część tej długości. Ponadto część długości kanału doprowadzającego, w której następuje krzepnięcie w operacji odlewania można znacznie skrócić, by uzyskać dalsze zmniejszenie ilości metalu w nadlewie.

Rozwiązania według wynalazku umożliwiają osiągnięcie znacznych korzyści poza zmniejszeniem kosztów powtórnego przetwarzania. Obejmują, one znaczne polepszenie parametrów dotyczących porowatości odlewu i wykończenia powierzchni. W porównaniu z odlewami ciśnieniowymi ze stopów aluminium lub cynku, odlewy z magnezu wytwarzane znanymi sposobami mają zwykle gorsze wykończenie powierzchni, często przypisywane porowatości przy lub w pobliżu powierzchni odlewu. Rozwiązania według wynalazku umożliwiają znaczne zmniejszenie porowatości odlewu, jak również osiągnięcie równomiernego wykończenia powierzchni z dobrą jakością.

Przedmiot wynalazku został zobrazowany w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia przekrój pokazujący część układu według wynalazku dostosowanego do wytwarzania klamek drzwiowych, fig. 2 - widok układu z fig 1, z prawej strony, fig. 3 - schematycznie odlaną klamkę drzwiową z dołączonym metalem nadlewu, fig. 4 - schematycznie układ doświadczalny, fig. 5 i 6 - dalsze przykłady wykonania układu, fig. 7 - schematycznie napełnianie wnęki formy podczas odlewania stopu magnezu, fig. 8A-8C - kształt przekroju poprzecznego kanałów doprowadzających i schematycznie dla każdego kanału jego rzeczywisty przekrój, fig. 9 - widok z góry miski odlanej ze stopu magnezu, fig. 10 - przekrój miski z fig. 9 i fragmentu formy wzdłuż linii XI-XI z fig; 9, fig. 11 - przekrój formy do odlewania ciśnieniowego w maszynie gorącokomorowej, zaś fig. 12 przedstawia przekrój podobny do fig. 11, ale przedstawiający zmodyfikowany większy odlew, nadający się do wytwarzania za pomocą formy z fig. 11 przy użyciu maszyny zimnokomorowej.

Natomiast rozwiązania znane ze stanu techniki zostały zobrazowane na rysunkach, na których pos. I przedstawia znany układ przepływu metalu, pos. II - schematycznie napełnianie

190 635 wnęki formy podczas odlewania stopu cynku lub aluminium, zaś pos. III-V przedstawiają doświadczalne układy przepływu metalu.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany szeregiem przykładów. Pierwszy szereg przykładów miał na celu lepsze zrozumienie mechanizmu przepływu i krzepnięcia stopów magnezu. W szczególności przykłady te miały na celu określenie, jakie ulepszenia wykończenia powierzchni i poziomów porowatości można uzyskać przez zmienianie i/lub kontrolowanie parametrów fizycznych określonych odlewów.

Niektóre początkowe przykłady tego pierwszego szeregu wykorzystywały technikę „niedolewu”, aby zrozumieć modele przepływu. Przykłady te pozwoliły na zidentyfikowanie dwóch reżimów przepływu we wnęce, które zawsze dawały obszar słabego wykończenia pomiędzy nimi. Model przepływu nie był podobny do żadnego modelu obserwowanego w ciśnieniowych odlewach cynku lub aluminium. Badanie mikrostruktury wykazało, że:

• Przepływ w kanale doprowadzającym odbywał się poprzez obszar cylindryczny o przekroju poprzecznym znacznie mniejszym niż projektowany fizyczny przekrój poprzeczny kanału doprowadzającego. Zauważono to również w przekrojach odlewów, gdzie przepływ był j e dnokierunkowy.

• Procentowa zawartość ciał stałych w odlewach ze stopu magnezu (demonstrowanych przez dendryty o dużym rozstawie ramion) wynosiła w przybliżeniu 50%.

• Mikrostruktura odlewów ze stopu magnezu blisko wlewu różniła się od mikrostruktury obserwowanej w odległości 50-300 mm od wlewu.

Wyniki tych początkowych przykładów wydają się sugerować, że metal częściowo przechodził w stan stały w kanale doprowadzającym, a następnie metal ten zachowywał się jako półstały wewnątrz wnęki z równoczesnym zachowaniem lepkości. Pierwsza porcja metalu przemieszczająca się wzdłuż kanału doprowadzającego (czoło) wydawała się wchodzić we wnękę w stanie ciekłym, co mogłoby wyjaśnić otrzymywanie różnych mikrostruktur i zasadniczo stałe położenie w odlewie przejścia pomiędzy tymi różnymi stanami przepływu.

W późniejszych przykładach pierwszego szeregu zmiany rodzaju kanałów doprowadzających i wlewów w tradycyjnej technice, powodowały marginalnie lepsze odlewy, chociaż oczekiwano dużych zmian. Jednakże obszar i usytuowanie słabego wykończenia powierzchni pozostawały zasadniczo bez zmian. Radykalna zmiana na pojedynczy zwężający się, styczny kanał doprowadzający dała niezwykle dobry wynik, jeśli chodzi o jakość odlewu, ale stosunek wyrobu do nadlewu był niemożliwy do zaakceptowania. Wydawało się jednak, że stopy magnezu zachowują się w znacznym stopniu odmiennie niż stopy cynku i aluminium.

Drugi szereg przykładów przeprowadzono z pewną liczbą różnych form i maszyn odlewniczych, aby spróbować stwierdzić, czy różnica w zachowaniu się była spowodowana przez tiksotropię. Przykłady te objęły różne wielkości odlewów w zakresie 15 g - 15 kg i były przeprowadzane zarówno na maszynach gorącokomorowych, jak i na maszynach zimnokomorowych. W jednym przykładzie z bardzo długim odlewem (około 2 metry), który zawierał szereg skrzynek z otwartymi końcami, odlew ten był prowadzony wzdłuż długiej krawędzi w maszynie zimnokomorowej. Dwa duże kanały doprowadzające prowadziły od głównego wlewu wzdłuż częściowo zwężających się kanałów doprowadzających. Stwierdzono, że jeśli metal był w stanie tiksotropowym we wnęce, wówczas powinno być możliwe, na skutek lepkościowego grzania, napełnianie odlewu od jednego końca. Aby to sprawdzić, pewną część poprzednio zalanego kanału doprowadzającego umieszczono w formie, blokując przez to skutecznie dopływ metalu do tej połowy wnęki. Każdy metal we wnęce przy zablokowanym kanale doprowadzającym musiał wchodzić od strony odblokowanej, co powodowało drogi przepływu ponad 1 m. Droga przepływu we wnęce była bardzo skomplikowana i wykazywała wiele zmian kierunku. Jednakże bez żadnej zmiany ustawień maszyny ten jednostronny układ zasilania pozwolił na wytworzenie odlewu, którego jakość była lepsza przy jego końcach w porównaniu z końcami wytworzonymi w rozwiązaniu z pełnymi kanałami doprowadzającymi. Zauważono znaczną zmianę w zwiększeniu prędkości metalu.

Dodatkowe przykłady trzeciego szeregu przeprowadzono z odlewem 280 x 25 x 1 mm, wytwarzanym w niewielkiej maszynie gorącokomorowej i zasilanym za pomocą długiego, cienkiego kanału doprowadzającego oraz bardzo cienkich wlewów o głębokości 0,15 mm. Przykłady te wykazały, że wlew był silnie blokowany wzdłuż znacznej części swej długości, co

190 635 powodowało pogorszenie jakości odlewów. Kanał doprowadzający, który miał długość 220 mm w jednym kierunku, skrócono do skutecznej długości 100 mm przez wspawanie korka o długości 10 mm w ten kanał doprowadzający. Otrzymany odlew był całkowicie wypełniony i metal wypływał z wnęki w odblokowaną część kanału dopływowego poprzez bramkę 0,15 mm. Udowodniło to, że stop miał bardzo małą lepkość przez cały czas napełniania wnęki. Podobne odlewy ze stopów cynku lub aluminium nie miałyby takiej właściwości. Urządzenie wywierało na metal ciśnienie tylko 14 MPa.

Badanie odlewów magnezowych wytworzonych przy zastosowaniu długich, cienkich wlewów niezmiennie wykazuje, że duże części wlewu w rzeczywistości nie pracują.

Dalsze przykłady czwartego szeregu przeprowadzono w pewnym zakresie wielkości odlewów, ale wszystkie one wykazały, że jakość polepsza się, kiedy wlewy i kanały doprowadzające są zmniejszone, a prędkość metalu zwiększa się. Badanie przekrojów nadlewów w zakresie od 1 x 1 mm do 50 x 50 mm z pewnej liczby odlewów wytworzonych w maszynach gorącokomorowych i zimnokomorowych wykazało w każdym przypadku centralny obszar kołowy. Właściwość ta nie wydaje się być powodowana przez oryginalny kształt przekroju poprzecznego. Dla tego stanu zakłada się, że tworzy on obszar, w którym metal przepływa podczas napełniania wnęki i zakłada się, że jest to rzeczywisty przekrój dla przepływu. Ponieważ obszar ten jest mniejszy pod względem pola przekroju poprzecznego niż kanał doprowadzający pierwotnie wcięty w formę, przepływ metalu osiąga znacznie większą prędkość. Obliczenia przeprowadzane przy zastosowaniu zmierzonych prędkości przepływu metalu dają w wyniku wartości prędkości w kanale doprowadzającym, które wynoszą około 150 m/s, przy czym prędkości we wlewie są w przybliżeniu równe 2/3 prędkości w kanale doprowadzającym. Podobne obszary można znaleźć w odlewach, gdzie istnieje przepływ jednokierunkowy.

Piąty szereg przykładów dotyczył wytwarzania długiego, grubego odlewu poprzez stopniowo coraz mniejsze przekroje wlewu. Wlewową długość zmniejszono z 120 mm do 8 mm, a odlewy miały nadal jakość możliwą do przyjęcia. Mikrobadanie odlewów wykazało, że napełnianie były półstałym czołem, a zawartość procentowa ciał stałych podczas napełniania pozostawała stała w całej części. Porowatość była minimalna.

W układzie 10 z fig. 1 i 2 pokazano formę 12, która tworzy pewną liczbę usytuowanych promieniowo wnęk 14 (pokazano tylko jedną), w każdej z których może być odlewana odpowiednia klamka drzwiowa o kształcie pokazanym na fig. 3. Forma 12 ma nieruchomą część 16 i ruchomą część 17 i jest pokazana w stanie zamkniętym, ale jej części 16, 17 można rozdzielić na linii rozdzielenia P. Korek 20 zawarty w części 17 formy ma zamontowany w nim suwliwie wyrzutnikowy kołek 18. Ten kołek 18 i co najmniej jeden dalszy kołek (nie pokazano) są wysuwane w celu wyrzucenia odlewu przy końcu każdego cyklu pracy.

Naprzeciw korka 20 część 16 zawiera tuleję 22, której otwór 22a jest usytuowany w jednej linii z tuleją 24. Podczas gdy tuleja 22, podobnie jak korek 20, jest wykonana z odpowiedniej stali, takiej jaka jest używana na części 16, 17 formy 12, tuleja 24 korzystnie jest wykonana z materiału o stosunkowo niewielkiej przewodności cieplnej, takiego jak częściowo stabilizowany tlenek cyrkonowy lub inny odpowiedni materiał ceramiczny.

Sąsiednie końce korka 20 i tulei 22 mają komplementarny kształt ściętego stożka. Ich końce są takie, że przy zamkniętej formie 12 korek 20 i tuleja 22 uzyskują szczelność pomiędzy stykającymi się przeciwległymi powierzchniami końcowymi. Powierzchnia końcowa korka 20 tworzy odpowiedni rowek 21 dla każdej wnęki 14 formy, przy czym ten rowek 21 współpracuje z końcem tulei 22, by utworzyć kanał doprowadzający 26 dla tej wnęki 14. Ten kanał doprowadzający 26 jest połączony z wnęką 14 poprzez wlew 28.

Współśrodkowo z otworem 22a tulei 22 tuleja 24 tworzy otwór 24a o znacznie mniejszym przekroju poprzecznym. Ponadto zewnętrzny koniec tulei 22 tworzy rozchylone na zewnątrz powiększenie otworu 22a, aby umożliwić jego sprzężenie z dyszą 30. Dysza 30 tworzy przedłużenie układu złożonego z przewodu w kształcie litery S i tłoka (nie pokazano) gorącokomorowego układu odlewania ciśnieniowego, dzięki któremu roztopiony magnez można wprowadzać poprzez otwór 24a do wnęki 14 przez kanał doprowadzający 26 i wlew 28.

Po zakończeniu cyklu odlewania w układzie z fig. 1 i 2, wprowadzony magnez jest zakrzepły aż do wewnętrznego końca otworu 24a tulei 24. Po likwidacji ciśnienia odlewania roztopiony metal jest usuwany poprzez dyszę 30 z otworu 24a.

190 635

W układzie z fig. 1 i 2 długość każdego kanału doprowadzającego 26 może być minimalna. Ponadto każdy kanał doprowadzający może mieć przewidziany przekrój poprzeczny tak mały, jak rzeczywisty przekrój poprzeczny dla przepływu metalu przez każdy kanał doprowadzający 26. Wewnętrzna część końcowa każdego kanału doprowadzającego 26 jest utworzona przez części 16, 17 formy 12. Na długości tej części kanał doprowadzający 26 ma stopniowo coraz mniejszą głębokość, ale coraz większą szerokość tak, że wlew 28 ma wąski, podłużny kształt o przekroju poprzecznym większym niż przekrój poprzeczny części długości kanału doprowadzającego pomiędzy korkiem 20 a tuleją 22.

W układzie z fig. 1 i 2 odprowadzanie energii cieplnej w celu spowodowania krzepnięcia metalu w kanale doprowadzającym/wlewie głównym odbywa się przez przewodzenie do części 16, 17 formy 12 przez korek 20 i tuleję 22. Stosunkowo niewielka długość i mały przekrój poprzeczny kanałów doprowadzających 26 są takie, że może nie być potrzebna cyrkulacja chłodziwa do osiągnięcia zakrzepnięcia. Jednakże pomimo stosunkowo niewielkiej długości kanału doprowadzającego 26, a zatem bliskości tulei 24 względem wnęki 14, krzepnięcie metalu w otworze 24a można powstrzymać przez izolujące działanie materiału ceramicznego, z którego wykonana jest tuleja 24. Cały układ z fig. 1 i 2 jest taki, że przy odlewaniu klamek ze stopu magnezu, mających ciężar około 30 g, długość i przekrój poprzeczny każdego kanału doprowadzającego 26 są takie, że ilość metalu w kanale doprowadzającym/wlewie głównym (dla dwóch równocześnie odlewanych klamek) można zmniejszyć do około 3 g.

Pos. 1 przedstawia rozwiązanie zbliżone do rozwiązania z fig. 1, ale należące do stanu techniki. Na pos. 1 części odpowiadające częściom z fig. 1 i 2 mają takie same oznaczenia liczbowe plus 100.

W rozwiązaniu przedstawionym na pos. 1 korek 120 ma posiadający kształt ściętego stożka kołek 120a kanału doprowadzającego, który przy zamkniętych częściach 116, 117 formy wchodzi w stożkowy otwór 122a tulei 122. Korek 120 ma wykonane w nim rowki, które wraz z tuleją 122 tworzą kanały doprowadzające 126. Korek 120 ma również kanał 40 utworzony w nim w celu zapewnienia cyrkulacji chłodziwa, np. wody, natomiast tuleja ma obwodowy rowek 42 wykonany wokół niej, przy czym ten rowek 42 jest przykryty przez tuleję 44, aby utworzyć dalszy kanał 46 cyrkulacji chłodziwa.

Dysza (nie pokazano) podobna do dyszy 30 z fig. 1 służy do umożliwienia wprowadzania roztopionego stopu magnezu poprzez otwór 122a wzdłuż kanałów doprowadzających 126 i we wnękę 114 formy poprzez wlew 128. Po zakończeniu napełniania chłodziwo przepływa poprzez kanały 40, 46, aby spowodować zakrzepnięcie metalu w kanale doprowadzającym do minimalnego przekroju otworu pomiędzy stożkową częścią przyjmującą kołek 120a a rozchylonym zewnętrznym końcem przeznaczonym do przyjęcia dyszy układu odlewania ciśnieniowego.

W konstrukcji z pos. 1 kanały doprowadzające 126 są nie tylko dłuższe, ale również mają większy przekrój poprzeczny. Ma to na celu uniknięcie ryzyka przedwczesnego zakrzepnięcia stopu magnezu o małej pojemności cieplnej. W przypadku takiej konstrukcji służącej do odlewania klamek drzwiowych, o kształcie i ciężarze takich samych jak w przypadku klamek z fig. 1 i 2, ciężar metalu w nadlewie wynosi około 30 g. Oznacza to, że w konstrukcji z pos. 1 trzeba odzyskać 10-krotnie więcej metalu niż w przypadku konstrukcji z fig. 1 i 2.

Figura 3 przedstawia schematycznie odlew 60 klamki drzwiowej ze stopu magnezu wyjęty ze swej wnęki formy, a jeszcze połączony z metalem 62 nadlewu. Metal 62 nadlewu jest wspólny dla dwóch odlewów 60, ale pokazano tylko jeden z nich, zaś nie pokazano całego metalu nadlewu dla drugiego odlewu.

Kanał doprowadzający w stanie pierwotnie utworzonym ma zaprojektowany przekrój poprzeczny 50 mm², a jego profil zewnętrzny odpowiada kształtowi pokazanemu na fig. 8C i opisanemu poniżej. Jak wynika z fig. 8C, zaprojektowany przekrój poprzeczny kanału doprowadzającego ma kształt regularnego trapezu na całej długości kanału.

Szósty przykład miał na celu przedstawienie wpływu przepływu płynu lepkiego na dystansie pokonywanym przez stop magnezu podczas odlewania. W tym celu wykonano układ S przepływu metalu pokazany na fig. 4, złożony z kanału C, tworzącego drogę przepływu metalu, zakończoną wnęką B na znormalizowany pręt do badań na rozciąganie. Kanał C miał nominalny przekrój poprzeczny 4x4 mm i długość 1230 mm.

190 635

Próby odlewania przeprowadzano z układem S z fig. 4 na zimnokomorowej maszynie do odlewania ciśnieniowego 250 ton. Próby te przeprowadzano w normalnych warunkach pracy maszyny, przy czym temperatura formy wynosiła tylko około 120°C. Jak wynika z fig. 4, droga kanału C jest kręta i zapewnia duży opór przepływu. Pomimo tego uzyskano przepływ wzdłuż całej długości 1230 mm kanału C, umożliwiający rozpoczęcie napełniania wnęki B na pręt. Długość przepływu 1230 mm nie jest traktowana jako graniczna. Pozostaje ona jednak w kontraście z obserwowaną maksymalną długością przepływu około 700 mm przewidywaną według konwencjonalnej praktyki z zastosowaniem przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego znacznie większym niż 4x4 mm.

Siódmy szereg przykładów przeprowadzono z odlewami 60 klamki drzwiowej z fig. 3, by określić minimalną wielkość kanałów doprowadzających i wlewów, które umożliwiają wytwarzanie szczelnie zamykanych odlewów. Skład zestawu zastosowanego w przykładzie był następujący:

• Gorącokomorowa maszyna Frech 80 ton z piecem wytopowym dołączonym do pieca zbiornikowego poprzez rurę syfonową. Oznaczało to stałą temperaturę metalu.

• Układ monitorowania wprowadzania stopu DieMac, który określał skok tłoka, prędkość i ciśnienie.

• Dwie termopary w nieruchomej połówce formy, obie 7 mm od po wierzchni wnęki oraz 10 mm i 80 mm od wlewu prowadzącego do wnęki odlewniczej.

• Rejestrator arkuszowy do wyświetlania temperatur w funkcji czasu.

• Termopary stykowe do mierzenia temperatury na powierzchni • Cyfrowe czujniki temperatury działające na zasadzie podczerwieni.

• W pełni wyposażony warsztat do dokonywania zmian w formie i przygotowywania wkładek.

Następujące przykłady siódmej serii przeprowadzono przy prędkości we wlewie wynoszącej około 100 m/s:

i) Doprowadzanie przy końcu odlewu 60 za pomocą wlewu 2 x 1 mm dało w wyniku odlewy, które miały rozsądną jakość, ale nie nadawały się do sprzedaży. Nadlew miał w przybliżeniu taki sam ciężar jak odlew (wydajność 50%).

ii) Doprowadzanie przy końcu odlewu za pomocą wlewu 7x2 mm dało odlewy, które miały wysoką jakość i nadawały się do sprzedaży. W jednym obszarze obserwowano lutowanie, ale przezwyciężono to przez dodanie natrysku chłodzącego w tym obszarze, co spowodowało zmniejszenie temperatury formy. Sekcjonowanie kanału doprowadzającego spowodowało cylindryczny rozkład przepływu (opisany w odniesieniu do fig. 8C), który reprezentował rzeczywistą prędkość w kanale doprowadzającym rzędu 150 m/s. Jeśli następnie rzeczywistą średnicę kanału doprowadzającego zmniejszono do około 3 mm (taka jest obserwowana średnica sekcji cylindrycznej), wprowadzenie fizycznego otworu o średnicy 3 mm nie powinno mieć żadnego wpływu na jakość odlewu. Część kanału doprowadzającego została zajęta na utworzenie segmentu 64, w którym wywiercono otwór 64a o średnicy 3 mm, aby utworzyć kanał przepływowy o średnicy 3 mm. Segment 64 wprowadzono w kanał doprowadzający w sąsiedztwie wlewu tak, że jego otwór 64a utworzył część długości kanału doprowadzającego, wzdłuż której miał on zmniejszony przekrój poprzeczny, w którym rzeczywiste pole przekroju poprzecznego dla przepływu metalu było nie większe niż 7,1 mm². W przykładzie tym wykonano również pewną liczbę krótkich wtrysków ze zmniejszeniem ilości metalu wprowadzanego we wnękę. Te krótkie wtryski z niewystarczającą ilością metalu utworzyły naskórek, który może być spowodowany uderzeniem metalu. Że względu na dużą prędkość we wlewie, wynoszącą 100 m/s mogło być to spowodowane albo przepływem cieczy, albo przepływem materiału w stanie półstałym.

iii) Zastosowano normalny kanał doprowadzający, ale w kanał zasilający wlew 7x2 mm wprowadzono segment 64 posiadający otwór 64a średnicy 3 mm. Odlew miał stosunkowo wysoką jakość z niewielką porowatością, jak stwierdzono na podstawie przekroju. Niektóre z oznak powierzchniowych w obszarze najdalszym od wlewu sugerowały, że przepływ mógł zostać zakłócony w stosunkowo niewielkim stopniu. Przeprowadzono to dla sześciu wtrysków z normalną produkcją pomiędzy nimi, by utrzymać temperaturę formy. Ostry wlot i wylot otworu o średnicy 3 mm mógł przyczynić się do wad. Ciśnie niepotrzebne do przepychania

190 635 metalu przez kanał doprowadzający i wlew było w przybliżeniu 20% większe niż w normalnej produkcji.

iv) W dalszym przykładzie we wlew 7x2 mm wprowadzono dłuższy odcinek kanału doprowadzającego o długości A i z kanałem 3x3 mm wyciętym w jednej stronie. Ten odcinek kanału doprowadzającego miał przekrój poprzeczny 66a wycięty; kanał oznaczono przez 66a. Sekcja wlotowa i sekcja wylotowa odcinka kanału doprowadzającego były odciążone, aby zapewnić mały opór przepływu. Jakość odlewu była bardzo dobra i zapewniała szczelne zamknięcia odlewu. Ciśnienie potrzebne do przepchnięcia metalu przez kanał doprowadzający i do wnęki było w przybliżeniu 30% większe niż normalnie. Jeden nadlew odlewu wytworzonego przy użyciu wkładki w kanale doprowadzającym przecięto i okazało się, że metal przepłynął przez przekrój z minimalnym zakrzepnięciem wzdłuż ścianek kanału. Obliczono, że prędkość poprzez kanał doprowadzający wynosiła 150 m/s, a we wlewie 100 m/s.

v) W innym przykładzie pełny kanał doprowadzający o długości B oraz o przekroju 3x3 mm użyto do zasilania wlewu 7x2 mm, przy czym całkowita długość przepływu wynosiła 120 mm na przekroju 3x3 mm. Dzięki zmniejszonej ilości metalu w obszarze kanału doprowadzającego zlikwidowano chłodzenie tego kanału wodą. Odlew miał wyjątkowo dobrą jakość. Jakość tego odlewu uważano za wyższą od wszystkich innych poprzednio otrzymanych. W tym przypadku nie było wad powierzchniowych zauważonych w przykładzie iii) z tego szeregu. Ciśnienie potrzebne do napełnienia wnęki było o 30% większe niż normalnie. Wydajność wynosiła 94%.

Wydaje się, że roztopiony metal wchodzący w kanał doprowadzający szybko krzepnie na powierzchniach tego kanału, tworząc własny kanał. Jeżeli metal w tym środkowym obszarze jest w stanie półstałym, wówczas szybkie zwiększenie prędkości nastąpi, gdy procentowa zawartość ciała stałego będzie większa niż około 50%. Jeżeli będzie utrzymywana duża prędkość, wówczas wystąpi grzanie na skutek lepkości, co przeciwdziała dalszemu odprowadzaniu ciepła do ścianek formy. Metal może zatem płynąć na dużych odległościach. W każdym z kanałów doprowadzających stosowanych w tej pracy, bez żadnych zmian ustawienia maszyny, równoważny kanał doprowadzający dawał prędkość metalu rzędu 150 m/s. Przy wprowadzeniu odcinka kanału doprowadzającego w formę prędkość w kanale doprowadzającym ustawiona była od początku na 150 m/s. Odlew powinien mieć jakość co najmniej równoważną jakości odlewu wytworzonego w normalnych warunkach. Obserwowana lepsza jakość może być spowodowana szybkim osiąganiem stanu równowagi prędkości 150 m/s w kanale doprowadzającym i prędkości 100 m/s we wlewie. Takie zmniejszenie prędkości przed osiągnięciem wnęki może być wykorzystane tak, że prędkość maleje od kanału doprowadzającego poprzez wlew aż do wnęki.

Najlepszą konstrukcją kanału doprowadzającego była poprzednio taka konstrukcja, która miała prędkość ciągle wzrastającą wzdłuż drogi przepływu tak, że nie mogło zdarzyć się żadne zamknięcie powietrza przy fragmentującym czole metalu. Prędkość w kanale doprowadzającym była nie większa niż 50% prędkości we wlewie w większej części tego kanału. Przedstawione tu szczegółowe wyniki wykazują, że można zastosować dużą prędkość w kanale doprowadzającym z odpowiednim polepszeniem jakości odlewu.

Rozwiązanie z fig. 5 i 6 jest zrozumiałe po rozpatrzeniu fig. 1 i 2, a części odpowiadające częściom z fig. 1 i 2 mają takie same oznaczenia liczbowe plus 200 w przypadku fig. 5 i plus 300 w przypadku fig. 6.

Konstrukcja z fig. 5 różni się od konstrukcji z fig. 1 i 2 tym, że otwór 224a ceramicznej tulei 224 ma inną średnicę, aby ułatwić czyste oddzielenie wyciąganego roztopionego metalu od zakrzepłego metalu w kanale doprowadzającym. Na większej części swej długości od swego zewnętrznego końca otwór 224a ma dużą średnicę, w której można utrzymywać w stanie ciekłym odpowiednio większą ilość roztopionego metalu. Następnie otwór 224a jest zmniejszany do minimalnej średnicy na niewielkiej długości, a dalej do swego wewnętrznego końca zwiększa się do średnicy pośredniej. Tam, gdzie odprowadzanie energii cieplnej dla spowodowania krzepnięcia metalu w kanale doprowadzającym jest takie, by powodować pewne krzepnięcie w otworze 224a, konstrukcja z fig. 5 skutecznie ogranicza stopień tego zjawiska. To znaczy, krzepnięcie nie może postępować poza krótką sekcję o minimalnej średnicy, przy190 635 najmniej w krótkim czasie dostępnym w cyklu odlewania, dzięki energii cieplnej zawartej w masie metalu w dużej zewnętrznej części końcowej otworu 224a.

Rozwiązanie z fig. 6 ma zalety podobne jak rozwiązanie z fig. 5, przy czym oddzielenie metalu zakrzepłego i jeszcze roztopionego metalu następuje przy minimalnej średnicy otworu 324a ceramicznej tulei 324. Konstrukcja ta jest jednak korzystna ze względu na ogólnie prostszą postać. Jak pokazano korek 320, tuleja 322 i tuleja 324 mają równoległe powierzchnie końcowe, które przy zamkniętej formie 312 są oparte o siebie na linii podziału formy odlewniczej. W porównaniu z rozwiązaniem przedstawionym na pos. 1 można uzyskać znaczną oszczędność ponownie roztapianego metalu, nawet do około 95%.

Na pos. II i fig. 7 przedstawiono schematycznie model napełnienia wnęki formy stopem cynku lub aluminium, w przypadku pos. II i stopem magnezu z zastosowaniem rozwiązania według wynalazku, w przypadku fig. 7. Układy te pokazują odpowiednie formy 70a i 70b z częściami 72a, 74a i 72b. 74b, które tworzą wnękę 76a i 76b formy i są rozdzielane na płaszczyźnie podziału P. Roztopiony stop może być wprowadzany w odpowiednią wnękę 76a, 76b w każdym przypadku poprzez układ przepływu metalu, który zawiera kanał doprowadzający 78a, 78b oraz wlew doprowadzający 80a, 80b.

Na pos. II kanał doprowadzający 78a ma duże pole przekroju poprzecznego w porównaniu z objętością wnęki 76a, a roztopiony stop jest wprowadzany z kanału doprowadzającego 78a poprzez wlew 80a o mniejszym przekroju poprzecznym. Przepływ stopu, przedstawiony przez obszar zakropkowany jest zgodny z tradycyjnym układem napełniania, stosowanym przy odlewaniu stopów cynku i aluminium. Strumień 82 stopu jest wprowadzany poprzez wnękę 76a w obszar wnęki oddalony od wlewu 80a, przy czym obwodowy przepływ 84 stopu wypełnia następnie wstecznie wnękę. Pomimo takiego skomplikowanego obwodowego napełniania i zwrotnego napełniania można uzyskiwać odlewy o dobrej jakości ze stopów cynku i aluminium. Jednakże, jak zaznaczono powyżej, takie skomplikowane napełnianie daje odlewy ze stopów magnezu o jakości gorszej niż optymalna.

Na figurze 7 kanał doprowadzający 78b ma mały przekrój poprzeczny w porównaniu z objętością wnęki 76b. Roztopiony stop magnezu jest wprowadzany z kanału doprowadzającego 78b poprzez wlew 80b o większym przekroju poprzecznym. Przekrój poprzeczny wlewu 80b oprócz tego, że jest większy niż przekrój poprzeczny kanału doprowadzającego 78b może być również większy niż przekrój poprzeczny wlewu 80a z pos. II dla danej objętości wnęki formy. Przepływający stop magnezu, znów oznaczony obszarem zakropkowanym jest w stanie półstałym. W tym stanie przepływający stop tworzy bryłę 86 stopu, która zwiększa swą objętość z dala od wlewu 80b, aby wytworzyć czoło 88 w stanie półstałym, poruszające się w kierunku od wlewu 80b do odległych obszarów wnęki 76b.

W opisanych tu szczegółowo przykładach zastosowano pewien zakres kształtów i wymiarów odlewów. Jak podano, doświadczenia te przeprowadzono z maszynami gorącokomorowymi, jak również z maszynami zimnokomorowymi. W obu przypadkach okazało się, że napełnianie wnęki formy przebiega zasadniczo jak opisano w odniesieniu do fig. 7. Jednakże wydaje się, że niewielka początkowa ilość stopu magnezu przynajmniej w niektórych odlewach weszła we wnękę w stanie bardziej ciekłym niż półstałym. Ta początkowa ilość, tam gdzie wskazano, była oczywista z sekcji naskórkowej, sąsiadującej z wlewem, o nieco innej mikrostrukturze (ale poza tym o dobrej jakości) niż reszta odlewu.

Przepływ opisany w odniesieniu do fig. 7 osiągnięto tam, gdzie prędkość przepływu stopu wynosi 140-165 m/s, korzystnie około 150 m/s, w kanale doprowadzającym i 25-50% mniej, np. około dwie trzecie prędkości przepływu w kanale doprowadzającym, poprzez wlew. Jak podano, uzyskano to w obszarze cylindrycznego rdzenia przebiegającego poprzez kanał doprowadzający, tak jak pokazano na fig. 8A-8C. Każdy z tych rysunków przedstawia przekrój poprzeczny odpowiednich kanałów doprowadzających 90a, 90b i 90c. Krzepnięcie stopu w kanale doprowadzającym po zakończeniu operacji odlewania i odcinanie nadlewu, aby zapewnić taki przekrój, przedstawia odpowiednio taki obszar 92a, 92b i 92c cylindrycznego rdzenia. Obszary te reprezentują dla każdego kanału doprowadzającego rzeczywisty kanał przepływu, do którego przepływ stopu został ograniczony zasadniczo przez całe napełnianie wnęki formy w operacji odlewania. Ograniczenie takie istnieje po krótkim czasie początkowego przepływu, w którym przynajmniej częściowo zakrzepły stop 94a, 94b i 94c, jak to

190 635 zaznaczono przez zakreskowanie, powstaje na powierzchniach określających profil przekroju poprzecznego kanału doprowadzającego.

Stwierdzono, że cylindryczny kształt obszarów przepływu 92a, 92b i 92c jest dobrze określonym przekrojem kołowym, niezależnie od profilu kanału doprowadzającego, w którym powstaje. Fig. 8A-8C przedstawiają typowe profile kanału doprowadzającego, w których otrzymano obszary 92a, 92b i 92c o kołowym przekroju poprzecznym. Z profili tych wynika, że obszar przekroju poprzecznego zaprojektowanego profilu kanału doprowadzającego można zmniejszyć bez znacznego wpływu na pole przekroju poprzecznego obszarów 92a, 92b i 92c, ale ze zmniejszeniem ilości metalu w wynikowym kanale doprowadzającym. Ilość tę można dalej zmniejszyć, korzystnie jak szczegółowo podano, przez zmniejszenie projektowanej długości kanału doprowadzającego. Podane poniżej szczegóły ilustrują, do jakiego stopnia takie zmniejszenie można uzyskać.

Odlew ze stopu magnezu o ciężarze 1,6 kg w kształcie otwartej struktury ramowej o wysokości 450 mm i szerokości 400 mm z grubością ściany 2-20 mm i posiadający bardzo głębokie przekroje wytworzono za pomocą maszyny zimnokomorowej. Przy stosowaniu tradycyjnej formy kanału doprowadzającego ilość metalu w nadlewie wynosiła 1,1 kg tak, że przy odlewaniu uzyskano wydajność 60% przy uwzględnieniu procentowej ilości metalu zużytego w operacji odlewania. Oznacza to, że około 40% zużytego metalu trzeba było odzyskać. Przy stosowaniu kanału doprowadzającego jak w rozwiązaniu według wynalazku ilość metalu w nadlewie wynosiła 0,36 kg, co daje wydajność 82% i zmniejszenie o około 67% ilości stopu, który trzeba odzyskać.

Odlewy klamek drzwiowych, w postaci pokazanej na fig. 3, wytwarzano w maszynie gorącokomorowej przez odlewanie w dwie wnęki. Każda klamka miała ciężar 28 g, co daje ciężar wyrobu 56 g na jeden cykl odlewania. Przy wytwarzaniu z zastosowaniem tradycyjnego układu przepływu metalu w każdym cyklu 30 g metalu pozostawało w nadlewie, na skutek czego wydajność wynosiła 65%. Przy zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, jak przedstawiono na fig. 6, ilość metalu w nadlewie zmniejszono do 1,5 g, co daje wydajność 97%, a w stosunku do tradycyjnej konstrukcji zmniejszenie ilości odzyskiwanego stopu o 95%.

Ósmy szereg przykładów przeprowadzono w celu stwierdzenia, czy możliwy jest bezpośredni przepływ metalu we wnęce formy, jak w normalnej praktyce i w celu określenia wpływu pewnej liczby alternatywnych układów przepływu metalu. W doświadczeniach tych zastosowano wnękę formy w kształcie mydelniczki. Ten kształt wnęki wynika z widoku z góry odlanej miski D pokazanej na fig. 9 i z przekroju przez miskę D oraz wprowadzaną część T formy, który pokazano na fig. 10 wzdłuż linii XI-XI z fig. 9. Miska D ma długość około 140 mm, szerokość około 100 mm, głębokość około 26 mm i grubość ścianki około 2 mm. Ma ona poziomy obwodowy kołnierz i ścianki boczne pochylone pod kątem 45° względem tego kołnierza i płaskiej podstawy.

Konwencjonalna procedura wytwarzania miski D polegałaby na zastosowaniu układu przepływu metalu zawierającego główny kanał doprowadzający zasilający zwężające się styczne kanały doprowadzające, które przebiegają w przeciwnych kierunkach wzdłuż wspólnej krawędzi bocznej wnęki formy i doprowadzają wzdłuż swych długości poprzez długą cienką bramkę do wnęki. W pierwszej próbie zmodyfikowana wersja aktualnie najlepszej praktyki jest przedstawiona przez układ 410 przepływu pokazany na pos. III. Jak pokazano, układ 410 ma główny kanał doprowadzający 412, który prowadzi do dwóch przebiegających w przeciwnych kierunkach, stycznych kanałów doprowadzających 414, które są usytuowane wzdłuż krawędzi bocznej 416 wnęki formy w celu tworzenia miski D z fig. 10. Każdy kanał doprowadzający 414 prowadzi do dwóch klinowo lub wachlarzowe ukształtowanych wlewów 418, które są skierowane w poprzek wnęki. Każdy wlew 418 ma przekrój poprzeczny zmieniający się od około 6x1 mm przy swym kanale doprowadzającym do około 10 x 0,5 mm przy krawędzi 416 wnęki. Przy aktualnie najlepszej praktyce, każdy kanał doprowadzający 414 ma normalny przekrój, który zwęża się w kierunku przepływu metalu wzdłuż tego kanału od 10 x 10 mm do 8 x 10 mm. Z takimi kanałami doprowadzającymi 414 i wlewami 418 wytwarzanie miski D o odpowiedniej jakości byłoby niezwykle trudne. Jednakże, jak zaznaczono powyżej, układ 410 jest zmodyfikowany.

190 635

Modyfikacja polega na zmniejszeniu nominalnego przekroju kanałów doprowadzających 414 do 3 x 3 mm. Modyfikacja ta jest częściowo zgodna z niniejszym wynalazkiem, jeśli chodzi o przekrój kanału doprowadzającego. Jednak przekrój kanału doprowadzającego jest większy niż przekrój każdego wlewu 418. Układ 410 z pos. III, pomimo modyfikacji, nie daje zadowalających odlewów.

W drugiej konstrukcji tego ósmego szeregu przykładów zastosowano układ 420 według pos. IV. Układ ten różni się od układu 410 z pos. III tym, że zastosowano tylko jeden wejściowy wlew 428 w kształcie dłuta. Jak pokazano, wlew 428 jest usytuowany pod kątem około 45° względem swego kanału doprowadzającego 424 przy końcu tego kanału doprowadzającego 424 i przy krawędzi wnęki 426, ale jest zwrócony do sąsiedniej krawędzi końcowej tej wnęki. Wlew 428 ma nominalny przekrój 1,5 x 4 mm tak, że jest on również mniejszy niż 3 x 3 mm nominalnego przekroju jego kanału doprowadzającego 424 (oraz drugiego ślepego kanału doprowadzającego 424).

Gdyby wlew 428 układu 420 miał zapewniać kierunkowy przepływ stopu magnezu, jak w normalnej praktyce, układ 420 okazałby się całkowicie niezadowalający. To znaczy, przepływ metalu od wlewu 428 przebiegałby wzdłuż sąsiedniego końca do oddalonej strony wnęki, wzdłuż tej oddalonej strony do drugiego końca, wzdłuż drugiego końca do zbliżonej strony posiadającej krawędź 426 oraz wzdłuż tej zbliżonej strony do wlewu 428. Jednakże osiągane słabe napełnienie środkowego obszaru wnęki formy byłoby przyczyną niezadowalającej jakości odlewu. Opracowano jednak układ 420, by wytwarzane były lepsze odlewy miski D niż z układu 410 z pos. III.

W trzeciej konstrukcji ósmego szeregu przykładów zastosowano układ 420a, jak przedstawiono na pos. V. Układ 420a różni się od układu 420 z pos. IV tylko tym, że dłutowy wlew 428a jest usytuowany pod kątem 90° względem swego kanału doprowadzającego 424a, a zatem równolegle do sąsiedniej krawędzi końcowej wnęki. Jak w układzie 420 wlew 428a miał nominalny przekrój 1,5 x 4 mm tak, że był on mniejszy niż 3 x 3 mm nominalnego przekroju jego kanału doprowadzającego 424a (i drugiego ślepego kanału doprowadzającego 424a). Układ 420a umożliwia uzyskiwanie odlewów wyraźnie lepszej jakości.

Rozkłady przepływu otrzymane w każdym przykładzie ósmego szeregu są takie, że przepływ stopu magnezu do wnęki nie jest kierowany. To znaczy model napełniania wnęki formy jest całkowicie niepodobny do opisanego w odniesieniu do pos. II, ale tam, gdzie to jest możliwe przepływ jest jak opisano w odniesieniu do fig. 7. W przypadku próby przedstawionej na pos. III nie można było osiągnąć zadowalającego przepływu ze względu na brak odpowiedniego obszaru kontrolowanego rozszerzania. W przypadku próby przedstawionej na pos. IV, a jeszcze wyraźniej w przypadku próby przedstawionej na pos. V, taki obszar istniał. Jednakże w każdym przypadku obszar ten był utworzony raczej we wnęce formy niż przez wlew 428 z pos. IV lub wlew 428a z pos. V, przy czym obszar ten był ograniczony z trzech stron przez powierzchnię górną i dolną wnęki formy oraz sąsiednią końcową powierzchnię brzegową wnęki. Ponadto w przypadku przedstawionym na pos. IV skuteczność obszaru rozszerzania we wnęce formy wydaje się być zmniejszona, co powoduje pogorszenie jakości odlewu na skutek turbulencji wywoływanych przez przepływ skierowany na sąsiedni koniec wnęki.

W układach z pos. IV i pos. V ani wlew 428, ani wlew 428a w rzeczywistości nie jest wlewem jak w rozwiązaniu według wynalazku, ponieważ nie zapewnia utworzenia obszaru kontrolowanego rozszerzania. Rzeczywiście, jeśli chodzi o kanał doprowadzający 424 lub kanał doprowadzający 424a ogranicza on przepływ, a taki obszar, jaki uzyskano jest poza każdym z wlewów 428 i 428a. W sensie niniejszego wynalazku odpowiedniejsze jest zatem traktowanie wlewów 428 i 428a jako części końcowej kanału doprowadzającego 424 i kanału doprowadzającego 424a, prowadzącej bezpośrednio do obszaru kontrolowanego rozszerzania i w efekcie nie ma tam żadnego wlewu.

Wracając do fig. 10, przedstawiono tu zasadę dziewiątego przykładu, który podobnie jak ósmy przykład miał na celu wytwarzanie misek D odlewanych ze stopu magnezu. Fig. 10 przedstawia układ 430 przepływu metalu według wynalazku. W układzie 430 pokazano końcową część drogi przepływu stopu magnezu, która obejmuje kanał doprowadzający 434 o kołowym przekroju posiadającym średnicę 3 mm, który jest połączony z wnęką formy poprzez człon T,

190 635 przez część wlewową 438. Od kanału doprowadzającego 434 wlew 438 zwiększa średnicę w kierunku przepływu i ma średnicę 5 mm przy swym wylotowym końcu przy wnęce formy.

Podobnie jak w ósmym przykładzie miska D wytworzona w układzie z fig. 10 odlewana była w maszynie zimnokomorowej. Układ 430 stanowi radykalne odejście od znanych technik ciśnieniowego odlewania metali i zgodnie z praktyką aktualnie uważaną za najlepszą nie byłby używany. Mimo tego, układ 430 pozwolił na wytworzenie wysokiej jakości misek D ze stopu magnezu w kolejnych cyklach prób odlewania, co oznacza zasadniczo jego przydatność do szybkiego, powtarzalnego odlewania na skalę przemysłową.

Jak w dziewiątym przykładzie, dziesiąty przykład miał na celu wytworzenie odlewu ze topu magnezu przez bezpośrednie doprowadzanie przez wlew kołkowy. W tym przypadku, jak pokazano na fig. 11, duży odlew 440 z szerokimi płaskimi powierzchniami 440a i z trudnym skrzynkowo ukształtowanym obszarem 440b z poprzecznymi żebrami 440c i z nadlewem 440d wytwarzano na maszynie gorącokomorowej Frech 80 ton. Projektowane pole powierzchni odlewu 440 wynosiło 390 cm², to znaczy było większe niż zalecane przez Frech dla tej maszyny'.

Odlew 440 z fig. 11 był przeznaczony do sprawdzenia wpływu odległości przepływu i właściwości przepływu w skomplikowanym kształcie. Element 442 użyty do utworzenia wnęki formy dla odlewu 440 był trójpłytową formą, która umożliwiała bezpośrednie odlewanie poprzez jeden kołkowy wlew 448. Jednakże ten element 442 umożliwiał również wytwarzanie odlewu 440 lub odlewu 450 o kształcie większym niż pokazano na fig. 12 przy zastosowaniu trzech kołkowych wlewów 448, 448a i 448b na zimnokomorowej maszynie Toshiba 250 ton.

Wytworzono zadowalające odlewy, jak pokazano na fig. 11. Jednakże kierunkowość nie była kontrolowana w zakresie normalnych oczekiwań w odniesieniu do odlewania ciśnieniowego. Rzeczywisty przepływ wykazywał wiele oddzielnych modeli napełniania z ciągłym czołem, zgodnych z poprzednimi doświadczeniami i podobnych do stwierdzanych przy formowaniu tworzyw sztucznych. Były wydłużone odcinki przepływu, które były bardzo dobrze zgodne z obserwacjami z szóstego przykładu. Przepływ przez skomplikowany kształt nadlewu 440d również wykazywał podobieństwo do formowania tworzyw sztucznych w bezpośrednim kontraście wobec przepływu przy ciśnieniowym odlewaniu w formach.

W dziesiątym przykładzie nie było zalewania formy pomimo dużego i skomplikowanego kształtu wytwarzanego odlewu. Ta i inne obserwacje wskazują na fakt, że odlewany stop magnezu nie zachowuje się jak klasyczna ciecz. Dalszy wniosek z tego dziesiątego przykładu jest taki, że ciśnienie we wnęce formy było znacznie mniejsze niż przewidywane dla stopu magnezu w jego stanie roztopionym, to znaczy dla cieczy. Nawet przy pełnym ciśnieniu wprowadzania w maszynę odlew przy projektowanym polu powierzchni 390 cm2 nie wypływa, mimo że nominalna siła impulsowego napełniania (przyjmując ciecz) jest większa niż stwierdzona siła blokowania tej maszyny Frech.

Dziesiąty przykład w szczególności podkreśla dalsze praktyczne zalety uzyskiwane dzięki niniejszemu wynalazkowi. Brak wypływania oznacza, że nominalna siła impulsowego napełniania, to znaczy siła oczekiwana dla cieczy jest znacznie większa niż rzeczywista siłą panująca w przypadku odlewania stopu magnezu według wynalazku. W konsekwencji na danej maszynie można wytwarzać większe odlewy niż oczekiwano.

Odległość przepływu i jakość odlewu otrzymywanego przy stosowaniu rozwiązania według wynalazku wydają się być stosunkowo niezależne od temperatury formy. Jednakże mogą być obszary formy w odlewaniu gorącokomorowym, gdzie trzeba zadbać zarówno o grzanie, jak i o chłodzenie. Zarówno przy bezpośrednim doprowadzaniu w dziewiątym i dziesiątym przykładzie, jak i przy kanale doprowadzającym w ósmym przykładzie, roztopiony metal musi krzepnąć w miejscu, które umożliwia odłączenie tej części od formy, ale umożliwia również przepływ roztopionego metalu z powrotem do kanału w kształcie litery S. Jak przy normalnym odlewaniu wysokociśnieniowym w formy, wobec wejścia do formy trzeba stosować czynnik chłodzący i czynnik grzejny, by wpłynąć na wynik. Stosowany sposób zależeć będzie od wykonania i wielkości maszyny, jak również od stopnia skomplikowania i wielkości formy.

190 635

190 635

190 635

V

190 635

2)2<L

9OC

190 635

190 635

190 635

Fig. Π

190 635

190 635

Pos. II

(Λ

Ο

190 635

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób ciśnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie półstałym, polegający na prowadzeniu roztopionego stopu magnezu kanałem doprowadzającym i wtryskiwaniu we wnękę formy, znamienny tym, że strumień stopu opuszczający kanał (26) doprowadzający poddaje się kontrolowanemu rozszerzaniu na boki względem kierunku wtryskiwania, przy czym stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzającym mieszczącą się w zakresie 140-165 m/s oraz stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania wynoszącą 25-50% mniej niż prędkość przepływu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzającym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania zmniejsza się skokowo.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania zmniejsza się postępująco.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzającym wynoszącą około 150 m/s.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się prędkość przepływu strumienia stopu w obszarze kontrolowanego rozszerzania wynoszącą około % prędkości przepływu strumienia stopu w kanale (26) doprowadzającym.
6. 6. Układ przepływu metalu w urządzeniu do ciśnieniowego odlewania stopu magnezu, w stanie półstałym, połączony z formą zaopatrzoną we wnękę i mający co najmniej jeden kanał doprowadzający pomiędzy źródłem zasilania roztopionym stopem a wnęką formy, znamienny tym, że kanał (26) doprowadzający jest połączony z co najmniej jednym obszarem kontrolowanego rozszerzania o zwiększającym się polu przekroju poprzecznego, przy czym stosunek pola przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania do pola przekroju poprzecznego kanału (26) doprowadzającego mieści się w zakresie od 2:1 do 4:1.
7. 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że obszar kontrolowanego rozszerzania stanowi wlew (28) metalu bezpośrednio do wnęki (14) formy (12).
8. 8. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że obszar kontrolowanego rozszerzania znajduje się co najmniej częściowo wewnątrz wnęki (14) formy (12), przy czym ograniczają go powierzchnie tworzące tę wnękę (14) w pobliżu miejsca, w którym stop wpływa we wnękę (14).
9. 9. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że w miejscu, w którym stop wpływa we wnękę (14) znajduje się wlew (28), stanowiący wylotowy koniec kanału (26) doprowadzającego poza obszarem kontrolowanego rozszerzania.
10. 10. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że w miejscu, w którym stop wpływa we wnękę (14) znajduje się wlew (28), stanowiący część obszaru kontrolowanego rozszerzania.
11. 11. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że pole przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania zwiększa się skokowo względem pola przekroju poprzecznego kanału (26) doprowadzającego.
12. 12. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że pole przekroju poprzecznego obszaru kontrolowanego rozszerzania zwiększa się postępujące względem pola przekroju poprzecznego kanału (26) doprowadzającego.