ΧΥΤΕΥΣΗ. Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής

Transcript

1 ΧΥΤΕΥΣΗ Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής

2 Χύτευση Η χύτευση είναι μια τεχνική μορφοποίησης των μετάλλων κατά την οποία ένα πλήρως τηγμένο μέταλλο χύνεται στην κοιλότητα ενός καλουπιού (τύπος ή μήτρα) με το επιθυμητό σχήμα. Η στερεοποίηση του μετάλλου συνοδεύεται από κάποιο βαθμό συστολής. Η χύτευση εφαρμόζεται για την κατασκευή αντικειμένων με πολύπλοκη γεωμετρία, που η κατασκευή τους με οποιαδήποτε άλλη μέθοδο θα ήταν δύσκολη ή μη οικονομική. 2

3 3 Τεχνικές χύτευσης Με βάση το είδος του καλουπιού η χύτευση διακρίνεται: Χύτευση σε μη μόνιμο καλούπι (περιλαμβάνει καλούπια άμμου, πολυμερούς, γύψου, κελύφους και επένδυσης-τεχνική του απολεσθέντος κεριού). Χύτευση σε μόνιμο καλούπι (συνήθως το καλούπι κατασκευάζεται από μέταλλο).

4 Χύτευση σε μόνιμο καλούπι Οι χυτεύσεις σε μόνιμο καλούπι μπορεί να υποβοηθούν από τη χρήση πίεσης, κενού ή φυγόκεντρης δύναμης. Διακρίνονται τουλάχιστον τέσσερις μέθοδοι: Χύτευση με χαμηλή πίεση. Χύτευση υπό πίεση. Φυγοκεντρική χύτευση. Συνεχής χύτευση.

5 Χύτευση σε μη μόνιμο καλούπι Τα καλούπια καταστρέφονται κατά την εξαγωγή του χυτού. Διακρίνονται τα παρακάτω είδη χύτευσης: Αμμοχύτευση Χύτευση επένδυσης Χύτευση κελύφους 5

6 Τεχνικές χύτευσης Με βάση τον τρόπο τροφοδοσίας η χύτευση διακρίνεται: Στην εκ των άνω ή κατευθείαν χύτευση. Η απόχυση πραγματοποιείται από πάνω και η στερεοποίηση αρχίζει από το κατώτερο τμήμα του. 6 Στην εν αναρροή ή πηγαία χύτευση. Η τροφοδοσία πραγματοποιείται από τη βάση.

7 Τροφοδοσία (εκ των άνω, κατ αναρροή) Χύτευση με (α) απόχυση εκ των άνω (β) απόχυση κατ αναρροή. 7

8 8 Τεχνικές χύτευσης Με βάση το ρυθμό απόχυσης του τήγματος διακρίνεται: Χύτευση κατά ποσότητες σε καλούπια (ημιτελές προϊόν: χελώνα). Συνεχής χύτευση (ημιτελή προϊόντα: κορμοί, μπιγιέτες, πλάκες)

9 9 Αμμοχύτευση Η αμμοχύτευση είναι ίσως η πιο κοινή και απλή μέθοδος χύτευσης, η οποία χρησιμοποιείται για αιώνες. Ως υλικό κατασκευής του καλουπιού χρησιμοποιείται κοινή άμμος. Αρχικά κατασκευάζεται ένα μοντέλο από ξύλο, πλαστικό ή αν η καταπόνηση είναι μεγάλη από μέταλλο. Όταν το χυτό έχει κοιλότητες χρησιμοποιούνται πυρήνες (καρδιές) από ειδική άμμο.

10 10 Schematic Sand Casting

11 11 Cope & drag (top and bottom halves of a sand mold), with cores in place on the drag

12 12 Two sets of castings (bronze and aluminium) from the above sand mold

13 Εφαρμογές αμμοχύτευσης Με αμμοχύτευση κατασκευάζονται προϊόντα όπως: Κυλινδροκεφαλές κινητήρων αυτοκινήτων Βάσεις βαγονιών Πυροσβεστικοί κρουνοί Μεγάλοι σύνδεσμοι σωληνώσεων. 13

14 Χύτευση επένδυσης Η χύτευση επένδυσης (γνωστή ως τεχνική του χαμένου κεριού /lost wax ) χρησιμοποιείται εδώ και 5000 χρόνια. Είτε με χρήση κεριού μέλισσας, είτε με χρήση των σημερινών υψηλής τεχνολογίας κεριών, πάντοτε κατασκευάζονται χυτά με μεγάλη ακρίβεια στις διαστάσεις και υψηλή ποιότητα στην επιφάνεια. Το μοντέλο κατασκευάζεται από κερί ή πλαστικό με χαμηλό σημείο τήξης. Γύρω από το μοντέλο χύνεται ένα ρευστό διάλυμα, συνήθως πηλός, γύψος ή άλλο κεραμικό, το οποίο σχηματίζει μια επένδυση, που αποτελεί το καλούπι του χυτού. Στη συνέχεια το καλούπι θερμαίνεται, έτσι ώστε να λιώσει το μοντέλο αφήνοντας μια κοιλότητα στο επιθυμητό σχήμα. Μετά την ψύξη του μετάλλου ο πηλός θραύεται και αποκαλύπτει το χυμένο μέταλλο κάτι που σημαίνει ότι το συγκεκριμένο καλούπι στη συγκεκριμένη συμπαγή χύτευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία φορά 14

15 15 Το μοντέλο ενός μήλου με κερί.

16 Από το μοντέλο δημιουργείται ένα λαστιχένιο καλούπι 16

17 17 Από το λαστιχένιο καλούπι διαμορφώνεται ένα καλούπι από παραφίνη

18 Το καλούπι από παραφίνη περιβάλλεται από πηλό 18

19 Υγρός ορείχαλκος στους 1200 C χύνεται στο άδειο καλούπι 19

20 20 Το τελικό αποτέλεσμα

21 21 Εφαρμογές χύτευσης επένδυσης Η χύτευση επένδυσης γενικά χρησιμοποιείται για την χύτευση μικρών αντικειμένων π.χ. στην κοσμηματοποιία και στην οδοντοτεχνική. Ακόμη, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ολόκληρων σκελετών πορτών αεροπλάνων. Επίσης, τα πτερύγια σε αεροστροβίλους και αεροπροωθούμενες μηχανές είναι χυτά επένδυσης.

22 22 Χύτευση σε μόνιμο καλούπι υπό πίεση (die casting) Το λιωμένο μέταλλο διοχετεύεται στην κοιλότητα του καλουπιού υπό πίεση. Η πίεση διατηρείται σε όλη την διάρκεια της στερεοποίησης. Το καλούπι κατασκευάζεται από μέταλλο και αποτελείται από δυο τμήματα. Όταν το μέταλλο στερεοποιηθεί τα δυο τμήματα ανοίγουν και εξάγεται το χυτό.

23 Μηχανές Χύτευσης υπό πίεση Die casting machines Θερμού Θαλάμου hot-chamber machines At the beginning of the cycle the piston of the machine is retracted, which allows the molten metal to fill the "gooseneck". The pneumatic or hydraulic powered piston then forces this metal out of the gooseneck into the die. The advantages of this system include fast cycle times (approximately 15 cycles a minute) and the convenience of melting the metal in the casting machine. The disadvantages of this system are that it is limited to use with low-melting point metals and that aluminium cannot be used because it picks up some of the iron while in the molten pool. Therefore, hot-chamber machines are primarily used with zinc, tin, and lead based alloys. 23

24 24 Schematic of a hot-chamber machine

25 Ψυχρού Θαλάμου cold-chamber machines. These are used when the casting alloy cannot be used in hotchamber machines; these include aluminium, zinc alloys with a large composition of aluminium, magnesium and copper. The process for these machines start with melting the metal in a separate furnace. Then a precise amount of molten metal is transported to the cold-chamber machine where it is fed into an unheated shot chamber (or injection cylinder). This shot is then driven into the die by a hydraulic or mechanical piston. The biggest disadvantage of this system is the slower cycle time due to the need to transfer the molten metal from the furnace to the cold-chamber machine 25

26 26 A schematic of a cold-chamber die casting machine.

27 27 The basic components of the cold-chamber die casting machine

28 28 The die is closed and the molten metal is ladled into the cold-chamber shot sleeve.

29 29 The plunger pushes the molten metal into the die cavity where it is held under pressure until it solidifies.

30 30 The die opens and the plunger advances, to ensure the casting remains in the ejector die. Cores, if any, retract.

31 31 Ejector pins push the casting out of the ejector half of the die and the plunger returns to its original position.

32 Die Casting Mold or Tooling The ejector die half The cover die half 32

33 Typical die temperatures and life for various cast materials Zn Al Mg Brass Maximum die life [number of cycles] 1,000, , ,000 10,000 Die temperature [C ] Casting temperature [C ]

34 34 Εφαρμογές χύτευσης υπό πίεση Είναι κατάλληλη για την παραγωγή μικρού και μεσαίου μεγέθους εξαρτημάτων με υψηλή ποιότητα επιφάνειας, αναπαραγωγή λεπτομερειών και διαστασιακή σταθερότητα. Προσφέρεται για την χύτευση κραμάτων τα οποία έχουν χαμηλό σημείο τήξεως, όπως: Κραμάτων αλουμινίου Κραμάτων ψευδαργύρου Κραμάτων μαγνησίου.

35 35 An engine block with aluminium and magnesium die castings. BMW 6 cylinder Al-Mg engine block

36 36 Συνεχής χύτευση Στην συνεχή χύτευση το λιωμένο μέταλλο, στο τέλος της διαδικασίας εξαγωγής του από τo ορυκτό, στερεοποιείται στη μορφή ημιτελών προϊόντων, όπως: κορμών (blooms), μπιγιετών (billets) ή πλακών (slabs). Τα ημιτελή προϊόντα είναι κατάλληλα ως αρχικό υλικό για επακόλουθες διεργασίες μορφοποίησης (π.χ. έλασης, διέλασης, κλπ.)

37 Συνεχής χύτευση Σχηματική αναπαράσταση συνεχούς χύτευσης Κάδος χύτευσης, 2. Ράβδος διακοπής ροής, 3. Ενδιάμεσο δοχείο, 4. Πυρίμαχος σωλήνας 5. Υδρόψυκτο καλούπι, 6. Ράουλα υποστήριξης, 7. Ζώνη κάμψης, 8. Πυρίμαχος σωλήνας, 9. Στάθμη τήγματος, 10. Μηνίσκος, 11. Μηχανή έλξης και ευθυγράμμισης, 12. Ημιτελής πλάκα.

38 Συνεχής Χύτευση Continuous casting (Tundish and Mold). 1. Ladle. 2: Tundish. 3: Mold. 4: Plasma torch. 5: Stopper. 6: Straight zone. 38

39 Continuous casting of steel 1:Ladle Turret, 2:Tundish/Tundish Car, 3:Mold, 4:First Zone (Secondary Cooling), 5:Strand Guide (plus Secondary Cooling), 6:Straightener Withdrawal Units, 7:Dummy Bar Disconnect Roll, 8:Torch Cut-Off Unit, 9:Dummy Bar Storage Area, 10:Cross Transfer Table, 11:Product Identification System, 12:Product Discharge System 39

40 40 Μηχανή συνεχούς χύτευσης αλουμινίου

41 Προϊόντα συνεχούς χύτευσης Κολώνες πρωτόχυτου αλουμινίου. 41

42 Μικροδομή χυτού Ψυχρή ζώνη Αποτελείται από μικρούς ισοαξονικούς κόκκους. Κιονική ζώνη Μια ενδιάμεση περιοχή από επιμήκεις κόκκους, παράλληλους προς τη διεύθυνση της ροής της θερμότητας. Είναι ανεπιθύμητοι γιατί έχουν ανισοτροπικές ιδιότητες. Ισοαξονική ζώνη - Μια κεντρική περιοχή από ισοαξονικούς κρυστάλλους. Είναι επιθυμητοί γιατί έχουν ισοτροπικές ιδιότητες. Ο σχηματισμός αυτή της ζώνης ευνοείται από τη χρήση μικρής θερμοκρασίας έκχυσης, προσθήκης συστατικών που ενισχύουν την πυρήνωση και Μορφοποίηση των μετάλλων 42

43 43 Δομή χυτού όπου φαίνεται η ψυχρή ζώνη, η κιονική ζώνη και η ισοαξονική ζώνη

44 44 Μικροδομή στο καλούπι

45 45 Ανάπτυξη δενδριτών

46 46 Κονιομεταλλουργία Η κονιομεταλλουργία είναι μια τεχνική μορφοποίησης μεταλλικών αντικειμένων από μεταλλικές σκόνες. Αυτή η μέθοδος παραδοσιακά χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή κεραμικών προϊόντων. Περιλαμβάνει την ανάμιξη των μεταλλικών σκόνεων, τη συμπίεσή τους και ακολούθως τη θερμική κατεργασία τους (πυροσυσσωμάτωση). Η πυροσυσσωμάτωση (sintering) σε στερεά κατάσταση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία χαμηλότερη του σημείου τήξης των συστατικών του μίγματος των σκόνεων, μέχρι που τα σωματίδια να κολλήσουν το ένα με το άλλο. Σε νεότερες τεχνικές τα στάδια της συμπίεσης και της πυροσυσσωμάτωσης πραγματοποιούνται ταυτόχρονα.

47 Στάδια κονιομεταλλουργίας Η διαδικασία παραγωγής προϊόντων κονιομεταλλουργίας περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: Ανάμιξη σκόνεων Συμπίεση Πυροσυσσωμάτωση Καλιμπράρισμα 47

48 48 Σχηματική αναπαράσταση των σταδίων παραγωγής αντικειμένων κονιομεταλουργίας.

49 49

50 50 Προϊόντα Κονιομεταλλουργίας

51 51 Προϊόντα Κονιομεταλλουργίας

52 52 Πυροσυσσωμάτωση Η πυροσυσσωμάτωση είναι μια θερμική κατεργασία κατά την οποία γειτονικά μεταλλικά σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους. Μεταξύ των κόκκων δημιουργούνται γέφυρες, με τη μορφή λαιμών. Άτομα από τους κόκκους μεταφέρονται στην περιοχή του λαιμού, μέσω διάχυσης καθώς και άλλων μηχανισμών μεταφοράς μάζας. Οι πόροι αρχίζουν να αποκτούν σφαιρική μορφή.

53 53