VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA METALURGIE A MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ STUDIJNÍ OPORA

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA METALURGIE A MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ STUDIJNÍ OPORA Název opory/předmětu: Speciální metody výroby odlitků Číslo předmětu: 632 0807/01 Autor/Autoři: Ing. Petr Lichý, Ph.D.; Prof. Ing. Tomáš Elbel, CSc. Katedra: Slévárenství - 632 Tato studijní opora vznikla v rámci rozvojového projektu Tvorba elektronických studijních opor pro studijní programy FMMI v r. 2008

Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 1. Fyzikální proces pojení slévárenských forem [1]... 3 1.1. Magnetická forma... 3 1.2. Vakuová forma (V-proces, V-metoda)... 4 1.3. Zmrazená forma (EFF-SET proces)... 8 1.4. Technologie LOST FOAM (LF) výroba forem na spalitelný model... 11 2. Metoda vytavitelného modelu... 26 3. Výroba forem zaléváním modelu - Shawova metoda... 41 4. Lití do kovových forem (kokil)... 42 4.1. Gravitační lití do kovových forem... 48 4.2. Odstředivé lití... 52 4.2.1. Technologie TEKCAST... 54 4.3. Lití pod vysokým tlakem - Tlakové lití... 60 4.4. Lití pod nízkým tlakem - Nízkotlaké lití... 77 4.5. Nové a nově vznikající technologie... 86 4.5.1. Squeeze Casting... 86 4.5.2. Thixocasting... 90 4.5.3 Metoda HIGH ISOSTATIC PROCESSING - HIP... 95 2

Úvod Při výrobě odlitků je v současnosti stále nejrozšířenější způsob gravitační odlévání do pískových netrvalých forem. Slévárny však řeší stále rostoucí požadavky konstruktérů a zákazníků na kvalitu součástí (povrchovou i vnitřní) a jsou nuceny pod vlivem ekonomických a ekologických nároků vylepšovat své stávající technologie, či hledat a používat alternativní technologie nové. Jedná se o metody tlakového lití (nízkotlaké, vysokotlaké), přesného lití (vytavitelný model, spalitelný model LOST FOAM) a zpracování kovů v polotuhém stavu (squeezcasting, thixocasting a rheocasting). Použitím těchto technologií získáme odlitky s vyššími užitnými vlastnostmi (kvalitnější povrch, přesné rozměry s minimem přídavků na obrábění, vyšší mechanické hodnoty, atd.). Tyto moderní metody výroby odlitků jsou navíc poměrně přátelské k životnímu i pracovnímu prostředí. Současně tyto technologie splňují v řadě případů technologickou a ekonomickou výhodnost, proti klasickým postupům výroby odlitků (např. gravitační neboli stacionární lití). 1. Fyzikální proces pojení slévárenských forem [1] Magnetická forma (Magnetformverfahren, Magnet-Vollformgieβverfahren). Vakuová forma (Vakuumverfahren, V-verfahren). Zmrazená forma (Gefrierformverfahren, EFF - SET). Plná forma, spalitelný model (Vollformverfahren, Replicast, Lost foam, LITGAZ, Policast, EPC, Simplipac) za použití klasické form. směsi (např. furanová směs, ST-směsi s vodním sklem), za použití pouze suchého křemenného písku (ostřiva). 1.1. Magnetická forma K prvním technologiím využívajícím fyzikálního účinku pojení patří magnetická forma. Spalitelný jednorázový model z tvrdých pěnových umělých hmot se pokryje žárovzdorným ochranným nátěrem, bránícím penetraci kovu do formy. Forma je nejčastěji tvořena ocelovými broky (feromagnetický zrnitý materiál). Model představuje skutečný tvar odlitku i s dutinami, proto technologie nevyžaduje používání jader. Schéma principu metody je na (Obr. 1). I když se jedná o nejstarší technologii - fyzikální proces pojení slévárenských forem - nenašla dodnes širšího uplatnění ve slévárenství. [1] 3

Obr. 1: Princip výroby odlitků metodou magnetické formy. [1] ( a přísun pěnových modelů s ochranným nátěrem, b - formovací linka, c - plnění formy magnetickým materiálem ze zásobníku, d - licí zařízení, e forma v magnetickém poli, lití, f - ochlazovací trať, g - vyklápění odlitků, h - vychlazovací trať pro magnetický materiál (ocelové broky), k transport odlitků,i zásobník magnetického ostřiva). 1.2. Vakuová forma (V-proces, V-metoda) Princip vakuového formování je patrný z (Obr. 2). První zařízení v Japonsku 1971 v malé slévárně Kabushiki Kaisha Akita. V roce 1981 již s metodou pracovalo 167 sléváren světa. Prodyšný model je umístěn na modelové desce, pod níž je vakuová skříň. Na model se přisaje termoplastická ohřátá folie, např. z etylenvinylacetátu (EVA), pod modelem se vytvoří vakuum. Folie překryje model i vtokovou soustavu. Ustaví se těsný formovací rám, zasype suchým křemenným pískem (ostřivem), zhustí vibrací a rám překryje opět termoplastickou folií. Odsaje se vzduch z formovacího rámu (prostor mezi dvěmi foliemi) a vakuum pod modelem se přemění v tlak vzduchu. Tak se oddělí model od formy. Složí se dvě poloviny formy, drží se stále pod vakuem. Po odlití a vyhoření folie se forma rozpadne (bez pojiva) a po vychlazení je písek opět použitelný. Termoplastická folie - její tloušťka má být co nejtenčí, a to jak z hlediska ekonomického, tak i ekologického. Tloušťka se pohybuje od 0,05 do 0,15 mm. Modelová folie je nejčastěji z etylen-vinylacetat-kopolymeru (EVA), folie k překrytí rámu z polyetylenu (PE). Plasticita folie se dosahuje ohřevem na 50 až 100 C. Při natahování na model nesmí tvořit trhliny. Folie tloušťky 0,13 mm se může protáhnout až 5 krát. Modelovou folii lze natírat např. grafitovými nátěry, speciální folie mohou obsahovat grafit. Vakuum brání hoření folie působením sálavého tepla; to proběhne pouze v místech dotyku s tekutým kovem. Podtlak - optimální hodnota se nachází v mezích 40 až 50 kpa. 4

Obr. 2: Princip vakuového formování. [1] (a prodyšný model a modelová deska s vakuovou skříní, b - ohřev folie, c - přisávání folie na prodyšný model vakuem pod modelem, d - usazení těsného formovacího rámu, e - plnění rámu za vibrace, f - zpevnění formy podtlakem, g - vytažení modelu, h složení formy a lití, i - vybíjení odlitku; 1 model, 2 - modelová deska, 3 - vakuová skříň, 4 - spirála ohřev, 5 - folie 6 - formovací rám, 7 - odsávací vedení v rámu, 8 - vzduchový kanál). Křemenný písek - jeho granulometrie výrazně ovlivňuje pevnost, tvrdost, prodyšnost i odolnost formy proti vadám (penetrace). Zrna mají být kulatá a objemová hmotnost formy má být vyšší než 1600 kg.m -3. Doporučené střední zrno ostřiva uvádí následující tabulka: D 50 [mm] střední zrno číslo AFS šedá litina (bez ochranného nátěru formy) 0,10 120 šedá litina (s ochranným nátěrem) 0,15 80 ocel (Al-slitiny) (bez ochran. nátěru) 0,12 100 ocel (s ochran. nátěrem) 0,20 60 Licí teplota kovu musí být vyšší o 20 25 % proti teplotě kovu při lití do syrových směsí. Plnění formy má být 1,5 2 krát rychlejší a z tohoto důvodu musí odpovídat i geometrie vtokové soustavy (přetlaková vtoková soustava). 5

Tuhnutí odlitků ve vakuové formě je výrazně pomalejší (přenos tepla pouze vedením a částečně sáláním, chybí prouděním): druh a materiál formy koeficient tepelné akumulace formy b f [W.s 1/2.m -2.K -1 ] syrová bentonitová forma 1100 1300 vodní sklo CO 2 -proces 1050 1200 vakuová forma 600 800 Vakuová metoda (V-proces) se značně rozšířila v oblasti uměleckých odlitků (tloušťka odlitku 4 mm), tvarově složitých odlitků ze šedé litiny a ocelí, koupací vany ad.. V-proces pokrývá výhodně oblast větších rozměrů rámů (až 5m) se sériovostí do 100 ks/hod. Maximální hmotnost odlitků vyrobena uvedenou metodou je 15 tun. [1] Přednosti V-metody: zabíhavost do vakuových forem je proti syrovým bentonitovým formám o 30 % vyšší, není potřeba mísičů pro přípravu směsi (pouze transport), technologie nevyžaduje regeneraci ostřiva, přesné rozměry odlitků, minimální přídavky na opracování, možnost výroby tenkostěnných odlitků (4 mm), dlouhá životnost modelů, netvoří se trhliny v odlitcích, možnost vybíjení odlitků při vysokých teplotách, není přímý kontakt písku s modelem (minimální opotřebení), pro zvýšení ochlazovacího účinku formy lze použít nekřemenná ostřiva i ocelových kuliček, při použití speciálních fólií odpadá použití ochranných nátěrů. [1] Kontrolní otázky: 1. Používá se v ČR V-metody k výrobě odlitků? 2. Jaké jsou hlavní nevýhody V-metody? 6

Příklad odlitku vyrobeného V-metodou (odlitek roku 2005) (článek pojízdného pásu pro transportní vozidlo raketoplánu) [Engineered Casting Solutions, May/june 2005] 7

1.3. Zmrazená forma (EFF-SET proces) Princip metody spočívá ve zmrazení směsi (písek, voda, někdy minimální obsah jílu) pomocí kapalného dusíku (bod varu 77 K). Led se stává pojivem forem a jader. Zmrazování je prováděno různým způsobem: ponořováním forem a jader do lázně z kryogenních kapalin, sprchování (s vyjmutým modelem, někdy i s jádry vyrobenými, jinými postupy), vstřelováním směsi do jaderníku podchlazeného kapalným dusíkem, (jaderník je ponořován do kapalného plynu) nebo na podchlazený model, profukováním jádra (formy) chladícím mediem. Schématicky jsou jednotlivé postupy patrny z (Obr. 3). Obr. 3: Princip zmrazování forem a jader. [1] (a - sprchování přes dělící rovinu formy, b - zmrazování přímým kontaktem s podchlazeným modelem, c - sprchování skořepiny na modelu z odvrácené strany od dělící roviny, d - prosávání chladícího media přes jádro - formu). Přednosti technologie: Jednoduchá skladba formovací směsi, příprava i pěchování: směs obsahuje ostřivo a vodu. Pro vytažení modelu a získání minimální vaznosti i odolnosti proti erozi kovem je doporučován nízký obsah bentonitu (do 3 %). Nízká vaznost a vysoká tekutost směsi (obsah volné vody nad 4 %) umožňuje pěchování s minimální spotřebou pěchovací energie. Vysoká pevnost forem a jader po zmrazení: S rostoucím obsahem vlhkosti, podchlazením a dobou zmrazování roste pevnost forem, která je srovnatelná s pevností ST-směsí s vodním sklem. Při použití nekřemenných ostřiv (např. chrommagnezit) 8

zvyšují se pevnosti o řád. Směsi i při zvýšené vlhkosti mají vysokou prodyšnost (změna objemu a viskozity filtrujících plynů). Vytvrzování probíhá zkapalněnými (nevýbušnými a nejedovatými) a ekonomicky dostupnými plyny: Ekonomika provozu je dána spotřebou kapalného plynu na 1 t zdravých odlitků. O tom především rozhoduje použitý způsob zmrazování. Odolnost proti erozi kovem: Je poměrně malá proti chemicky pojeným směsím. Lze ji zvýšit: vyšším stupněm zhuštění formy, vyšší jemností ostřiva přídavkem jílu teplota líce formy nemá stoupnout před litím nad 263 až 258 K Vysoká rozpadavost forem (jader) po odlití: Po průchodu nulové izotermy forma ztrácí pevnost a nabývá výbornou rozpadavost. Odpadá regenerace ostřiva a umožňuje ekonomické použití drahých nekřemenných ostřiv: Více než 96 % ostřiva se vrací zpět do uzavřeného oběhu. Celá technologie se blíží téměř k bezodpadovým technologiím budoucnosti. Dobrá hladkost povrchu odlitků: Vysoká povrchová kvalita odlitků z grafitizujících slitin železa (i bez přítomnosti uhlíkatých látek), ocelí i neželezných kovů. Vysoká kultura práce a ochrana životního prostředí: Klidné lití do zmrazených forem a vytloukání odlitků je doprovázeno pouze vývinem vodní páry. Možnost odbourání uhlíkatých látek ze směsí zásadně řeší hygienu práce ve slévárnách. Forma má vysoký ochlazovací účinek, což výrazně ovlivňuje strukturu a mechanické vlastnosti odlitků: Ochlazovací účinek formy se zvyšuje o 24 37 %. Nedostatky v technologii zmrazených forem: Nutno dbát na dodržování bezpečnosti práce v nepřirozených pro slévače podmínkách při využívání kryogenní techniky. Dokonalost modelového zařízení (speciální separace). Omezena skladovatelnost forem a jader na vzduchu; nutno provádět přechovávání jader ve speciálních chladících komorách. Praktické zkušenosti ukazují na vhodné aplikace: pro výrobu jader radiátorů z Al-slitin, pro odlitky z neželezných kovů (Al-slitin, Cu - u slitin s širokým intervalem tuhnutí dochází ke zvýšení hutnosti odlitků a mechanických vlastností), pro odlitky z grafitizujících slitin železa (odstranění uhlíkatých aditiv ze směsi). [1] 9

Praktické použití [2] Zmrazené formy aplikace technologie EFF-SET na teploty -100-130 0 C přinesly výrazné zúžení dvojfázového pásma u slitiny CuSn10 (Obr. 4 a,b,c a Obr. 5 a,b,c) a zkrácení oblasti překážek v tepelné ose odlitku s příznivými důsledky na zvýšení pevností a to i v nejmasivnějších částech s nejdelší dobou tuhnutí (pod nálitkem a s vysokým stupněm průtočnosti - zaústění vtoku). 50x 50x Obr. 4 a,b,c: Mikrostruktura vzorku slitiny CuSn10 (tloušťka odlitku 40 mm, nezmrazená forma) 250x 50x 50x 10

Obr. 5 a,b,c: Mikrostruktura vzorku slitiny CuSn10 (tloušťka odlitku 20mm, zmrazená forma.) 250x 1.4. Technologie LOST FOAM (LF) výroba forem na spalitelný model První zmínky o možnostech použití polystyrénové pěny jako materiálu na výrobu modelů se datují do roku 1956. Iniciátorem této metody byl profesor H. F. Shroyer [2], který na tuto technologii získal patent v roce 1958. Polystyrénový model byl v té době formován do formovacích směsí s pojivem s pojivem (furanové směsi). V polovině 70. let došlo ve světě k renesanci této metody a jejímu bouřlivému rozvoji. Postupem času (první průmyslové využití 1986?????) došlo ve slévárenské praxi postupně k odstranění pojiva ze systému, což je jedna z předností této metody. První průmyslový odlitek s hmotností 12 t byl vyroben v SRN v roce 1962 a v roce 1963 tuto technologii používalo už ve 35 slévárnách USA. V roce 1970 bylo v USA vyrobeno 400 000 t, v Japonsku 250 000 t, v SRN 150 000 t a v Anglii 50 000 t odlitků. Výsledkem bylo založení Asociace LSM (LSM technologie lití na spalitelný model) v roce 1967, která spojila 150 slévárenských provozů s celkovou výrobou 800 t odlitků/den. Metoda je známa pod pracovními a firemními názvy: LOST FOAM, EPC (Evaporative Pattern Casting), REPLICAST, GAMOLIV, CASTYRAL aj. [1] Technologii je možno rozdělit podle rozsahu výroby na dva postupy [1]: odlévání jednotlivých kusů odlitků: - polystyrénový model je vyráběn pro jedno použití frézováním, řezání, lepením, atd., - model je následně zaformován do formovací směsi s pojivem, - metoda se používá pro výrobu odlitků tvářecích a lisovacích nářadí, - postup je rozšířen např. při výrobě i masivních odlitků ze šedé a tvárné litiny, velkosériová výroba odlitků: - polystyrénový model je vyráběn ve vypěňovací formě, - model je zapěchován do suchého křemenného písku (bez pojiva), - tato varianta je častější u drobnějších odlitků. 11

Existuje také řada různých modifikací této metody. Postup Castyrolverfahren používá lití v uzavřených nádobách za přetlaku 10 bar, který je udržován až do úplného ztuhnutí hliníkových odlitků. Tím je dosaženo vyšších mechanických vlastností z důvodu nižší pórovitosti odlitků. Postup REPLICAST (vyvinutý SCRATA Anglie) předpokládá model z pěnového polystyrenu opatřeného nátěrem, zasypaného suchým křemenným pískem. Po zhuštění vibracemi se forma připojí na vakuové čerpadlo. Vzniká podtlak, který má přidržet nátěr na stěně formy, zatímco model zplyňuje. Dým je odsáván podtlakem. Princip procesu zplyňování modelu při lití zobrazuje (Obr. 6) Nejdůležitější parametr postupu Lost Foam: - prodyšnost nátěru, - prodyšnost formy, - hustota napěněného modelu, - licí teplota, - vtokový systém. TEKUTÝ POLYSTYREN PÍSEK TLAK PLYNŮ PLYNY A PYROLYZNÍ PRODUKTY TAVENINA ŽÁROVZDORNÝ NÁTĚR SMĚR PLNĚNÍ FORMY KOVEM PÍSEK 1200 TEPLOTA [ C] STYREN C 8 H 8 300 % SYSTEM C-CH 4 -H 2 -CO-CO 2 -H 2 O METAN CH 4 TUHNOUCÍ ODLITEK T<90 C stabilní materiál modelu T=90-160 C kolabs pěnového materiálu T=160-340 C tekutý polystyrol T=320-450 C depolymerace T>450 C termodestrukce polystyrenu UHLÍK % C CO CO 2 VODÍK H 2 H 2 O Obr.6: Princip postupu kovu v plné formě tvořené suchým křemenným pískem. [1] 12

Materiál na výrobu modelu [3] Pro hliníkové slitiny je nejvíce používaným materiálem expandovaný polystyren EPS. Pro ocelové odlitky a odlitky z litiny s lupínkovým a lupínkovým grafitem je jako surovina pro výrobu modelu používán kromě EPS také PMMA (polymetylmetakrylát) nebo copolymer. Polyakrylát se používá zejména v USA a Japonsku, nevýhodou je vysoká cena. Ekonomicky přijatelnější je směs polyakrylátu s polystyrenem. Předzpěnění materiálu [3] Polystyren je schopen expandovat díky přítomnosti pentanu (zvýšením teploty na 90-100 C). Po zahřátí materiálu se přetlakem pentanu kuličky materiálu zvětší přibližně 30x ve srovnání s původní velikostí. Díky předzpěnění se redukuje měrná hmotnost materiálu z původních cca 600g/l na cca 15-40 g/l. Typická měrná hmotnost pro EPS, používaného pro polystyrenové modely se pohybuje mezi 20-26 g/l. Přehřátý materiál je dále v meziskladu zchlazen a stabilizován. Látkové zásobníky musí umožňovat průchod vzduchu předzpěněným uloženým materiálem. Podle měrné hmotnosti je materiál postupně zpracován v intervalu 1-24 hodin. Výroba modelu [3] Model je vyráběn (Obr. 7) z kuliček polystyrenu stejnoměrné granulometrie s cílem dosáhnout zcela určité objemové hmotnosti. Čím je vyšší objemová hmotnost modelu, tím je povrch kompaktnější, ale odlitek má horší povrch. Expanzi kuliček a dosažení ostrých obrysů modelu je docíleno vháněním horké páry do vyhřátého jaderníku. Ten je odsáván a v poslední fázi je model chlazený vodou. Vypěnění probíhá ve vypěňovací formě, která je umístěna ve vypěňovacím lisu. K výrobě kvalitního polystyrenového modelu je nutno při výrobním procesu zoptimalizovat řadu parametrů (např. měrnou hmotnost vypěňovaného polystyrenu, teplotu a tlak páry, čas jednotlivých propařovacích kroků, čas a způsob chlazení ad). Model se pak suší (smrštění). V případě výroby složitých modelů (např. s dutinami), kdy není možno použít jednu vypěňovací formu, je nutno model sestavit s jednotlivých částí (dvě nebo i více). Tyto části (i vtoková soustava) se vzájemně lepí. V praxi se nejvíce používají teplá lepidla s okamžitou pevností spoje. Obr. 7: Zařízení pro výrobu polystyrénových modelů (fy. Kurtz, D) http://www.kurtz.de/en/index.html 13

Vypěňovací formy [3] Při návrhu a konstruování vypěňovacích forem je nutno dodržovat některé zásady: - minimalizace tepelných uzlů ve stěnách formy, - optimalizace odvzdušnění formy pomocí propařovacích sítek nebo odvzdušňovacích mezer. Dobré odvzdušnění forem je důležité pro vyjmutí hotového polystyrenového modelu z formy, zejména u forem, které nejsou opatřeny vyhazovači (vyjímání se provádí na jedné straně pomocí tlakového vzduchu a na straně druhé pomocí vakua), - dokonale vyleštěný povrch formy usnadňuje vyjímání modelů z formy, což je důležité zejména u tvarově složitých modelů (žebrované statory elektromotorů), - nutno minimalizovat možnost kondenzace vody (nutnost odsávání) - snaha vytvořit co nejúplnější polystyrenový model vzhledem k budoucímu odlitku, lepidlo lepených spojů vnáší do budoucího odlitku větší množství zbytků uhlíku, což zvyšuje zmetkovitost odlitků, - formy se vyrábějí výhradně z válcovaných nebo speciálně litých hliníkových slitin (nelze použít gravitačně lité odlitky porezita způsobuje nižší životnost). Al slitiny nesmí obsahovat Cu, jinak dochází k mezikrystalické korozi. Vtoková soustava Je vyráběna též z materiálu na modely, její dimenze musí zaručovat vysokou rychlost lití (stoupání hladiny kovu), aby mezera mezi modelem a hladinou kovu byla co nejmenší. Při pomalém stoupání hladiny roste mezera mezi kovem a modelem, kapalný styrén stéká na tekutý kov a tvoří se lesklý uhlík, uhlíkaté blány a saze. Tyto produkty termodestrukce modelové hmoty zhoršují přivrácenou plochu odlitku k hladině kovu (zavalování). Licí systémy mají výrazný vliv na výslednou jakost. Samotné lití je spojeno s určitým rizikem v důsledku tlakových vln. Vlastní vtokové systémy jsou specialitou každé slévárny. V zásadě se mohou používat dvě základní varianty, a to lití shora a lití na spodní vtoky. Vrchní vtoky jsou pro odvod plynů výhodnější. Od začátku lití je pro průchod plynů volná větší část plochy formy, hladina kovu je zásobena teplejším kovem, model se přívodem tekutého kovu zplyňuje rychleji. Má však výraznou nevýhodu v členité vtokové soustavě, která spolu se slepými výfuky ztěžuje pěchování horního rámu, do kterého je celá vtoková soustava situována. Časová náročnost aplikace vlastní přípravy modelu a formování je vyšší. Spodní vtoky jsou v praxi používány v širší míře. Jejich nevýhoda souvisí s menší plochou pro odvod plynů (tvoří ji pouze volný prostor mezi stoupajícím kovem a ještě nezplyněným modelem). Tím více se u této metody zvýrazňuje potřeba vysoké propustnosti plynů formovací směsi a nátěrů. Časová náročnost aplikace spodních vtoků je nižší než u horních vtoků. Při vyšších odlitcích se používá boční zaústění vtoků. Optimální rychlost stoupání hladiny kovu je uváděna v rozmezí 1 5 cm/s, což představuje velké rozmezí. Tuto hodnotu je vhodné si pro jednotlivé hmotnosti i tvarové představitele z hlediska vlastních podmínek v každé slévárně ověřit. 14

Povrchová ochrana modelu Zkompletované modely se opatřují ochranným nátěrem. Nátěr musí být tenký, rovnoměrné tloušťky, kompaktní a prodyšný. Nanesení se provádí namáčením (drobné modely) nebo natíráním ručně - štětcem (velké modely). Rovnoměrnost nanesení se kontroluje vážením modelu s nátěrem. Velmi důležité je dokonalé vysušení. Sušení modelů probíhá při teplotě 50 60 C a do zaformování se skladují v temperovaných skladech. Ve slévárnách se používají v podstatě dva druhy nosné kapaliny voda a líh. Exponovaná místa, čímž se rozumí větší síla materiálu proti menší síle formovací směsi (různé kapsy, průchody, otvory apod.), se natírají dvakrát, přičemž první nátěr se použije pouze na exponovaná místa, druhý nátěr v celé ploše. Speciální nátěry obsahují oxidační přísady pro spalování pyrolyzních produktů (amorfní uhlík saze a lesklý uhlík). Základní typy nátěrů [4]: kokso-grafitové nátěry jsou vhodné pouze pro menší tepelné zatížení, ale při delší časové expozici vyžadují silnější vrstvu nátěru (až 3 mm); aluminosilikátový vodní nátěr (vyvíjený pro metodu spalitelného modelu), velikost zrn při 56% obsahu pevných elementů větších než 20 µm (doporučený rozsah 50 70 µm); zirkonové nátěry vykazují i při vyšší tepelné expozici a delším čase odolnost již při síle nátěru 0,5 mm; tyto nátěry mají též méně izolující vlastnosti oproti grafitovým. Formovací materiál K výrobě formy může být použito použito vazných nebo samotvrdnoucích směsí, ale převážně se používá suchý písek bez pojiv nebo kovové broky.podle toho rozlišujeme tyto varianty odlévání s použitím modelů z pěnového polystyrenu (Obr. 8): a) bez vyjmutí modelu, forma je vyrobena z vazné nebo samotvrdnoucí směsi známými postupy formování; b) s vyjmutím modelu; c) bez vyjmutí modelu, přičemž tento je zasypán: 1) kovovými broky, 2) suchým pískem bez pojiv. U prvního způsobu lití do bezdutinové formy se tato vyrábí z vazných nebo samotvrdnoucích formovacích směsí. Do formy se zakládají písková jádra pro vytvoření dutin. Model je z pěnového polystyrenu a z formy se odstraňuje zplyněním teplem odléváného kovu; kov postupně zaujímá místo obsazené modelem. Tento postup se používá pro kusovou nebo malosériovou výrobu hlavně z důvodu nízké ceny modelu. Splodiny vznikající při zplynění polystyrenu však odcházejí průduchy a nálitky do slévárny, ve které zhoršují pracovní prostředí. Proto vznikla druhá varianta spočívající ve vyjmutí polystyrenového modelu z formy tak, že dovoluje jeho nové použití nebo se většinou rozruší a zničí řezáním, lámáním a pod. Forma je rovněž vyrobena z vazné nebo vytvrditelné směsi. Polystyrenový model může mít 15

oproti dřevěnému menší úkosy, může se zde použít méně kvalitnější pěnový polystyren z hlediska zplyňování. Uvádí se, že je ekonomicky ospravedlnitelná pro opakovanou výrobu nejvýše 3 ks odlitků. Pro více kusů se vyplatí výroba dřevěného modelu. Popisovaná varianta se využívá také u nízkouhlíkatých ocelí, aby se zabránilo povrchovému nauhličení oceli uhlíkovými produkty, které vznikají při spalování polystyrenu. Postup odlévání s vyjmutím polystyrénového modelu se rozšířil v řadě našich sléváren oceli a šedé litiny, zejména pro rozměrné odlitky v kusové výrobě: lisovací a kovací nástroje, základy strojů a pod. Model se vyrábí obráběním a lepením stejným postupem jako dřevěný, pouze materiály se liší; výchozím polotovarem při výrobě polystyrenových modelů jsou bloky a desky. Do třetí skupiny patří postup magnetického formování, který se však velmi málo rozšířil. Jeho předností je možnost řízeného tuhnutí a rychlého ochlazování odlitků, pro které by výroba kovových forem (kokil) byla neekonomická. Polystyrenové modely se totiž zasypávají kovovými broky, které jsou většinou z oceli. Jejich zhuštění se dosáhne vibrací. Celek se umístí do vzduchové mezery magnetického obvodu, který broky zpevní. Pak se provede odlití a kov postupně nahrazuje spalující se model. Během lití a tuhnutí může být aplikováno částečné vakuum, které odvádí vzniklé plyny. Po zrušení magnetického pole a po ochlazení se provede vytažení odlitku z formy jednoduchým překlopením kontejneru a broky se po ochlazení a odprášení vrací zpět do cyklu. K výhodám patří i skutečnost, že dochází k náhradě křemenného písku. Důvodem proč se tento způsob nerozšířil bylo nedostatečné zvládnutí výroby modelů v době jeho vzniku a ekonomické důvody. U posledního způsobu se k zasypání polystyrenového modelu používá suchý písek bez pojiv. Spěchování se provádí vibrací tak, aby písek vyplnil všechny dutiny modelu (hlavně tehdy, když současně vytváří i jádra). Je to jedna z kritických operací této metody, protože přehnaná vibrace může deformovat nebo dokonce porušit model Při slabé vibraci jsou dutiny vyplněny nedostatečně a písek je málo spěchován. Osy a doba vibrace se volí případ od případu. Doba vibrace se může pohybovat od několika sekund do 2 až 3 minut. Písek se používá převážně křemenný o nízké střední zrnitosti. Musí vytvořit dobře prodyšnou formu, dovolující odchod plynů z produktů spalování modelu, tekutým kovem (Obr. 9). Fyzikálně-chemickým pochodům, které se uplatňují při vzniku odlitku bude věnována pozornost v dalším textu. Suchý křemenný písek s časem opětného používání zčerná, obsahuje produkty pyrolýzy modelové hmoty. Při správné rychlosti lití a vhodném ostřivu (dobrá prodyšnost) nedochází k exhalacím. Písek se po vysypání z rámu chladí a opětně používá. Po vychladnutí odlitku, stejně jako u magnetického formování je jeho výklep velmi jednoduchý - stačí pouhé překlopení nádoby s formou nebo přímé vytažení odlitku (stromečku) po fluidizaci písku. Po odstranění prachových podílů písku a po jeho vychladnutí se tento znovu vrací do použití. Další operace čištění odlitku se neliší od běžných způsobů v každé slévárně. Pevnost formy způsobuje tlak plynů a kondenzáty organických látek v zóně kondenzace pod lícem formy. Zabránit zavaleninám a grafitickému šumu lze použitím nátěrů s oxidační přísadou nebo odsáváním plynů z formy během lití. [1] 16

FORMOVACÍ SMĚS (PÍSEK) 1 2 3 TEKUTÝ KOV Obr. 8: Proces plnění formy kovem horním vtokem (1 model, 2 plyn, 3 ochranný nátěr). [1] Odlévání na spalitelný model do suchého písku bez pojiv je v současné době nejvíc rozšířeno. Z výše uvedeného popisu plynou následující výhody: - vysoká pružnost výroby; - nízké investiční náklady pro velkosériovou a hromadnou výrobu odlitku; - vyšší využití výrobních ploch; - snížení počtu slévárenských operací; - odstranění klasického formování; - snížení nebo dokonce odstranění výroby jader; - snížení nároků na kvalifikaci obsluhy; - snížení fyzické námahy při práci; - větší možnost automatizace a robotizace výroby; - nižší nároky na údržbu; - nižší nároky na spotřebu nářadí; - levné formovací rámy; - bezpojivový systém formy; - snadná regenerovatelnost písku a jeho vysoké využití; - nevznikají nároky na vývoz škodlivých látek na skládky; - snadné vyjímání odlitků z formy; - jednoduché pískové hospodářství; - čistší prostředí ve slévárně bez nadměrného hluku. 17

Vady odlitků a pyrolýza modelových hmot Když se do formy s polystyrénovým modelem nalije kov, model se spaluje a páry procházejí přes žáruvzdorný nátěr do písku (Obr. 10 a,b). Kov postupně zaujímá místo polystyrénového modelu. Mezi frontou tekutého kovu a polystyrenem se tedy vyskytuje plynová zóna. Tlak plynu udržuje tvar pískové formy. Přerušení lití by mohlo vyvolat zhroucení formy. Protitlak plynu na druhé straně vyvolává potřebu více dimenzovat vtokový systém. Nálitky naopak díky tuhosti formy a endotermickému účinku pyrolýzy polystyrénu mohou mít mnohem menší rozměry nebo mohou být dokonce zrušeny. Struktura slitin s formováním do vazných směsí je podstatně dokonalejší, ale horší než při odlévání do kovové formy. U slitin, které jsou méně citlivé na rychlost chladnutí to má menší význam. Ve všech případech srovnávajících lití na polystyrénový model s odlitky vyráběnými na polokokilu, tzn. kokila obsahující písková jádra, byly mechanické vlastnosti zjištěné na výřezech z odlitků téměř shodné. Na povrchu odlitku mohou však vznikat povrchové vady s charakteristickým zvrásněním, které vyvolávají shluky lesklého uhlíku, který vzniká z rozkladu polystyrenu. Tomuto jevu se můžeme vyhnout použitím nových spalitelných modelů na bázi PMMA. Vznik velkého množství lesklého uhlíku může vést u nízkouhlíkových ocelí k nežádoucímu nalegování povrchových vrstev odlitku. Na druhé straně však lze použít odlévání na spalitelný model k povrchovému legování oceli i Cr k zvýšení jejich otěruvzdornosti. [1] Obr. 9: Vývin plynu při použití furanové formy se spalitelným modelem: a) vývin plynů při použití furanové směsi s polystyrenovým modelem, b) objem plynu a rychlost jeho vzniku při použití formovací směsi s polystyrenovým modelem (součtová křivka) Pyrolýza polymerů brzdí plnění plné formy roztavenou slitinou a na druhé straně generuje vznik pevných, kapalných a plynných produktů, ovlivňujících zdravost odlitků. 18

Při 750 C vznikají monomery a jejich deriváty (u PSE styren, toluen, benzen; u PMMA metakrylát metylu). Produkty pyrolýzy kondenzují v písku po průchodu vrstvou nátěru. PSE tvoří 2x více kondenzátů. Na odlitcích byla vyzkoušena modelová směs PSE/PMMA (> 50 % PSE). Vzrostly tzv. uhlíkové vady (zavaleniny, uhlíkový šum a pod.). Naopak převládá-li PMMA (> 50 %), zmizel tento typ vad, ale zmetkovitost zůstala vysoká z důvodů: křehkosti a deformace modelů, praskání nátěru pod tlakem plynů z pyrolýzy. S podílem PMMA v modelové hmotě, roste doba plnění formy. Přechodem z PSE na PMMA se 1,7x prodlužuje doba plnění a roste objem plynů 2,2x. Čím je tedy vyšší plynatost modelu, tím více roste doba plnění formy. Předejít uhlíkovým vadám lze doporučit modely z PMMA, u tlustostěnných odlitků je lépe dát přednost modelům z PSE pro nízký vývin plynů. Čelo kovu není tolik zpomalováno a je možno lépe dosáhnout přesného tvaru a vyhnout se přerušení lití z důvodu zatuhnutí čela proudu kovu. U PMMA kyslík oxiduje C za vzniku CO. Tím roste objem plynů, ale klesají uhlíkaté zbytky. [1] Chemické složení: PSE (C 8 H 8 ): 92 % C, 8 %H 2 PMMA (C 5 H 8 O 2 ): 60 % C, 8 % H 2, 32 % O 2 Obr. 10 a: Postup kovu ve formě (model z EPS) Obr. 10 b: Postup kovu ve formě (model z PMMA) http://www.ing.unitn.it/~colombo/lost_foam/pages/lost_foam_leghe_al.htm 19

Vliv pyrolýzy modelových hmot na kvalitu vratných písků Kondenzáty pyrolyzních produktů se ukládají v písku. Největší ovlivnění probíhá u lití slitin hliníku, u litiny dochází pravděpodobně k oslabení vlivu tzv. autoregenerace. Kondenzáty ovlivňuje prodyšnost, spěchovatelnost a tekutost písku. Zrna obalena uhlíkatými produkty se dají kontrolovat ztrátou žíháním. Písek obsahuje aromatické polycyklické uhlovodíky (u lití hliníku až 70 mg.kg -1 ). Složení emisí pěnového polystyrénu po pyrolýze při teplotě 750 C (hustota PSE 23,5 g.l -1 ): 74 % CO 2 1 % saze 10 % CO 14 % organických látek zkondenzovaných ve formě 1 % organických látek v plynné atmosféře (benzén 0,03%, styrén 0,31%). [1] Přednosti technologie Lost Foam: pořizovací náklady jsou nižší ve srovnání s klasickou technologií, nižší požadavky na výrobní plochu a počet pracovníků, vyloučení zařízení k výrobě jader, forem, klasického pískového hospodářství a pojiv, recirkulace písku, jeho toxická nezávadnost. odpadají deponie toxického písku, výrazné zvýšení přesnosti odlitků, odpadají technologické úkosy, možnost předlití přesných otvorů, nižší náklady na obrábění v průměru o 30 %, vyšší využití tekutého kovu, nižší energetická náročnost, několikanásobné snížení pracnosti při cídění odlitků, tloušťka odlévaných odlitků od 3 mm, s přesností ±0,1 mm, formy pro výrobu modelů jsou z hliníku, životnost cca 1 milion odlitků. Nevýhody technologie Lost Foam: vysoké náklady na výrobu vypěnovacích forem, nutnost použití technologie pro výrobu středních až velkých sérií odlitků. Současné hlavní rozšíření technologie plné formy je ve slévárnách automobilek -hlavy bloku motorů, sací nebo výfukové potrubí, skříně převodovek, skříň hydraulické spojky atd. (Obr. 11 a,b d, Obr. 12, Obr. 13, Obr. 14, Obr. 15 a,b). Odlitky pro elektrotechniku (statory elektromotorů Obr. 11 c), hydrauliku, tělesa šoupátek, ventily atd. Ve slévárnách těžkých odlitků (hutních slévárnách) se odlévají unikátní odlitky kusového charakteru z ocelí i litin. Očekávat lze především rozšíření výroby odlitků ze slitin hliníku. [1] 20

a) Hlava válců b) Kliková hřídel c) Stator elktromotoru d) Blok motoru Obr. 11: Příklady odlitků vyrobených technologií Lost Foam http://www.kpmetallurgical.co.uk/lostfoaminfo.html 21

Obr. 12: Odlitky vyrobené litím celé sestavy http://www.kpmetallurgical.co.uk/lostfoaminfo.html 22

Obr. 13: Výrobní proces technologie Lost Foam (fy Peugeot) (1 polystyrénový model, 2 zhotovení sestavy z jednotlivých kusů, 3 namáčení sestavy do ochranného nátěru, 4 - umístění do pomocné formy (zasypání ostřivem), 5 lití, 6 vytažení hotových odlitků) http://www.forum-peugeot.com/lost-foam.html Obr. 14: Polystyrénový model a hotový odlitek http://www.supplycasting.com/castings.htm 23

Obr. 15 a: Polystyrénový model Obr. 15 b: Polystyr. model a hotový odlitek (blok motorů řadový šestiválec GM 4,2 L) (blok motorů řadový šestiválec GM 4,2 L) http://www.canadiandriver.com/articles/jk/at_010306.htm POLYLOC - firemní název Lost Foam u firmy John Deere - USA. CASTYRAL - firemní název Lost Foam u firmy PECHINEY (F). POLICAST - firemní název Lost Foam u firmy TEKSID - CASTEC (I). Příklady vad odlitků vyrobených metodou Lost Foam [5] BUBLINA (Obr. 16) Vada se objevuje nejčastěji opět v horních částech odlitku nebo v místech s vodorovnými plochami. Na této vadě se nejvíce podílí voda z nedostatečně vysušeného nátěru nebo zachycená zkondenzovaná voda při vysoké vzdušné vlhkosti. Při odlévání způsobuje vodní pára protitlak a nátěr produkty degradace nestačí převést do formovacího materiálu. Obr. 16 PENETRACE (Obr. 17) Nejčastějším místem vzniku této vady jsou spodní části nebo tepelně exponované partie odlitku, případně místa s porušeným nebo slabým nátěrem. Další příčinou je také vibrací špatně zhutněný formovací materiál. Obr. 17 24

UTRŽENÍ ODLITKU (Obr. 18) Příliš velký rozdíl mezi objemovou hmotností kovu a polystyrenu a příliš malá vrstva formovacího materiálu nad odlitkem způsobí vlivem metalostatického tlaku odtržení části odlitku. Nejvyšším stupněm je vyplavání části odlitku na hladinu formovacího materiálu. Vzniku vady může zamezit vyšší vrstva písku nad odlitkem, zatížení formy nebo použití vakua. Obr. 18 ŘÍDKÝ POVRCH (Obr. 19) Příčinou vzniku vady je použití pěnového modelu se špatně vypěněným polystyrenem. V průběhu namáčení zateče nátěr do volných prostor mezi jednotlivé kuličky polystyrenu. Zatečený nátěr brání kovu ve vyplnění těchto prostor, a tím dojde ke zkopírování původní vady modelu. (Obr. 19) Literatura (kapitola 1): [1] Jelínek, P.: Pojivové soustavy slévárenských formovacích směsí (Chemie slévárenských pojiv). Ostrava, 2004. [2] SHROYER, H. F.: Giessverfahren unter Verwendung eines ohne mehrliche Rückstande verbrennbaren Models, Patent SRN kl. 31 c, 8/07, No 1108861 (USA No 2830343). [3] Holoubek, Z.: Zkušenosti s výrobou vypěňovacích forem pro slévárenskou technologii lost foam ve Vsetínské modelárně s.r.o. Slévárenství č. 1-2, roč. LVI, 2008, str. 31-33. [4] Juřička, I.; Novotný, O.: Specifika technologie výroby odlitků litých na spalitelný model. Slévárenství č.1, roč. LIII, 2005. [5] Doškář, J. a kol.: Výroba přesných odlitků. SNTL, Praha, 1976. [6] Vilčko, J.; Slovák, S.: Zlievárenská technologia, ALFA, Bratislava 1987. [7] Sehnal, V.: Slévárenské vady nátěrů a odlitků u metody Lost Foam. Slévárenství č.1, roč. LIII, 2005. [8] Firemní materiál von Roll Fonderie des Rondez - Procédé Creativ, CH - 2800 Delémont. [9] Elbel, T.; Svoboda, L.: Postupy formování a odlévání se spalitelným modelem. Sborník z konference Chemické a fyzikální principy pojení formovacích směsí. DT ČSVTS České Budějovice, Tábor 1988. 25

2. Metoda vytavitelného modelu Z historického hlediska jde o nejstarší technologii lití (asi 350 let př. n. l.). Před druhou světovou válkou byla v Československu vyvinuta vlastní technologie, která našla průmyslové využití nejen u nás, ale i v dalších zemích tehdejšího východního bloku, včetně tehdejšího SSSR. V roce 1944 si ve švýcarském odborném časopisu přečetl vývojový pracovník metalurgie Baťových závodů ve Zlíně Dr. Ing. Josef Doškář článek se zmínkou o tom, že v USA pracují metalurgové na využití velmi staré technologie k průmyslové výrobě stacionárních a oběžných lopatek proudových motorů. Na základě tohoto impulzu začal pracovat Dr. Ing. Doškář na vývoji technologie, kterou by bylo možno využít i v jiných oblastech strojírenství. Výsledkem byla teoretická vědecká práce o využití gelace alkosolů SiO 2, která pokračovala laboratorními zkouškami, takže technologie výroby keramických forem na bázi SiO 2, a to jak pojiva, tak posypového vyztužení formy, dala v roce 1945 první výsledky. Komplexnost vývoje doplnil vývojem jak nalévacího, tak vstřikovacího vosku pracovník chemických laboratoří Baťových strojíren Jan Gabriel. Vosk pro vstřikování byl ideálním doplňkem nové technologie nejen svými vlastnostmi (stabilní hodnoty při smršťování), ale hlavně svou schopností regenerace a opětného použití. V dalších letech byly v těchto strojírnách zkonstruovány a vyrobeny první vstřikovací lisy na výrobu vytavitelných modelů, jejichž autorem byl Ing. Ota Valihrach. Materiálu, to znamená jeho licím a užitným vlastnostem, včetně interakce s lícem formy, se věnoval vedoucí metalografické laboratoře, pozdější profesor VŠT Košice, prof. Ing. Otakar Kaštánek. Laboratoře v Baťových závodech byly rozšířeny a průmyslové odlitky našly první využití ve vlastních strojírnách. Po roce 1948 Ministerstvo strojírenství iniciovalo rozšíření a využití přesného lití do celé republiky. První speciální slévárna na vytavitelný model s výkonem 250 t odlitků ročně byla postavena ve Zlíně v roce 1957. V té době byly ještě všechny formy po vytavení vosku zpevňovány při lití zásypem písku ve vypalovacích hrncích. Vývoj pokračoval k samonosné skořepině, která byla v roce 1956 zavedena do výroby. Současný stav výroby odlitků litých na vytavitelný model (stav v roce 2005) Současná situace sléváren přesného lití v České republice je velmi dobrá. Základem pro tento stav byl rok 2003. Slévárny se v průběhu tohoto roku dokázaly vyrovnat s únikem zakázek do asijských sléváren a připravit se na vstup do Evropské unie. Celkový obrat činil v tomto roce cca 965 mil. Kč za rok, což je o 100 mil. Kč více než v roce 2000. Obr. 20: Výroba přesných odlitků ve světě podle jejich prodeje (2003) [1] 26

Obr. 21: Počty sléváren přesného lití ve světě (2003) [1] Evropa a Severní Amerika Severní Amerika (USA 97 %, Kanada 3 %) zůstává s více než 50 % stále daleko největším trhem a výrobcem přesných odlitků ve světovém měřítku. Evropa přispívá výrobou zhruba 20 25%, Asie přibližně stejnými procenty, tj. 20 25 % (ale se stále vzrůstajícím trendem). Zbytek světa doplňuje statistiku asi 5 10 %. (Obr. 20). Pokud se týká počtu sléváren používajících technologii vytavitelného modelu, bude rozdělení světa vypadat poněkud odlišně (obr. 21). Rozdělení trhů s odlitky vyráběnými metodou vytavitelného modelu bylo dlouho diskutováno z pohledu jejich kategorizace, v poslední době se ujalo rozdělení na následující skupiny: odlitky s vysokou přidanou hodnotou (high added value castings), odlitky pro automobilový průmysl a ostatní odlitky. V první skupině se jedná především o odlitky lité ve vakuu (letecký průmysl, energetika, zbrojní průmysl atd.). Obr. 22 znázorňuje celkovou situaci v Evropě. Z Obr. 23 je patrné detailnější porovnání nejvýznamnějších evropských zemí (nejvýznamnějších z hlediska objemu výroby přesných odlitků v Evropě: UK 52 %, Francie 19 %, Německo 18 %, ostatní 11%). Podíl odlitků s vysokou přidanou hodnotou je nejvyšší v UK a Francii, v Německu se tyto odlitky téměř vyrovnávají s odlitky pro průmysl automobilový a v ostatních zemích Evropy, zvláště v zemích s nižšími náklady na pracovní sílu, vzrůstá rapidně podíl odlitků s nižší přidanou hodnotou. [1] 27

Obr. 22: Prodeje odlitků vyrobených přesným litím v Evropě (2003) [1] Popis metody Obr. 23: Přehled výroby v Evropě přesné lití (2003) [1] Od běžných slévárenských metod se tato metoda liší vyšší kvalitou povrchu a menšími rozměrovými a hmotnostními tolerancemi. Umožňuje odlévání součástek téměř ze všech kovů a jejich slitin s hmotností od několika gramů do několika kg, přičemž tloušťka stěn odlitků může být od 0,5 do 1 mm. Umožňuje vyrobit odlitky v stupni přesnosti 1 a 2. 28

Obr. 24: Postup výroby odlitku metodou vytavitelného modelu [2] 29

Přednosti: - metoda dovoluje přiblížit odlitky tvarem a rozměry hotové součástce, - snížení (nebo až úplné odstranění) počtu strojních operací obrábění, - možnost vytvořit součástky takového tvaru, který by se nedal vytvořit jinak, - zvýšení využití tekutého kovu při odlévání tzv. stromečkovým litím, - využití komplexní mechanizace a automatizace. Nevýhody: - nutnost výroby nákladného nářadí pro výrobu vytavitelných modelů, - nutnost vyrobit pro každý kus model. Pracovní postup (Obr.24, Obr. 25): 1. Zhotovení voskového modelu součástky. 2. Sestavení modelů do vtokové soustavy (stromečku). 3. Obalení modelu žáruvzdorným keramickým materiálem. 4. Vytavení vosku. 5. Vyžíhání keramické hmoty. 6. Odlévání. 7. Odstranění keramické hmoty z odlitku. 8. Odstraňování vtoku, apretace odlitku. 1) Výroba voskových modelů Voskový model se vyrábí vstřiknutím vosku do kovových forem. 2) Sestavování (lepení) stromečků Vyrobené voskové modely jsou lepeny nebo pájeny na vhodně zvolené vtokové soustavy. 3) Výroba skořepin Skořepina je vyráběna máčením voskových stromečků v keramické břečce. Stromeček namočený do keramické břečky se po odkapání posype ostřivem vhodné zrnitosti. Proces se opakuje cca 5 x. 30

4) Vytavování vosku Vytavování vosku ze skořepiny probíhá v autoklávu, kde se tlakem přehřáté páry odstraní vosková hmota ze skořepin. 5) Žíhání Cílem žíhání je odstranění zbytků nežádoucích látek, jako je voda a vosk z keramické skořepiny a dosažení její požadované mechanické pevnosti. 6) Tavení a lití Požadovaný materiál se taví v indukčních pecích při teplotě až 1700ºC. Po provedení chemického rozboru se roztavený kov nalévá do vyžíhaných skořepin. 7,8) Koneční fáze výroby Zchladnutá skořepina se ručně nebo mechanicky zbaví keramické formovací směsi. Stromečky jsou následně otryskány a jednotlivé odlitky jsou odděleny od vtokového kůlu. Odlitek se broušením zbaví zbytku po vtoku a následují běžné postupy požadovaného dokončení tvaru a povrchu. Obr. 25: Pracovní postup dle slévárny přesného lití Agro Brno-Tuřany,a.s. www.agro-turany.cz Zhotovení voskového modelu součásti a vtokové soustavy. Základním předpokladem při výrobě přesného odlitku je přesný model s velmi dobrým povrchem. K výrobě takového modelu musí být k dispozici velmi přesně vyrobená forma. Pro velkosériovou výrobu je to většinou kovová forma (Obr. 26) z legovaných ocelí, pro malé série ze slitiny s nízkým bodem tavení (např. Sn-Bi). Formy se vyrábí mechanickým třískovým obráběním, galvanoplasticky, apod. 31

Obr. 26: Kovová forma pro výrobu voskových modelů http://www.pbsvb.cz/dme_vyrobni_program.php?vaha=20#odlitky Materiálem pro výrobu modelů je převážně vosk a to výhradně směsi vosků. Žádný čistý vosk nesplňuje požadavky na kvalitu modelu, které jsou: - malé smrštění při tuhnutí; - dostatečná pružnost, pevnost a tvrdost; - schopnost přesně reprodukovat formu; - nesmí po vytavení zanechávat ve formě zbytky; - musí mít vhodnou viskozitu; - musí odolávat oxidaci; - musí být zdravotně nezávadný a nepoškozovat životní prostředí. Při výrobě voskových modelů gravitačním odléváním do forem se používá tzv. měkkých vosků vyrobených ze směsi parafinu a cerezinu. Při výrobě voskových modelů vstřikováním na lisech se používají tvrdé materiály vyrobené z montánního vosku s přídavkem změkčujících složek. Ke snížení nákladů se vytavený vosk regeneruje u výrobce, který garantuje jeho zaručené vlastnosti. Stroje na výrobu voskových modelů vstřikováním (tzv. vstřikolisy) pracují buď s nízkým vstřelovacím tlakem (0,5 až 1 MPa) nebo s vyšším vstřelovacím tlakem 2,5 až 5 MPa. Kvalita voskového modelu závisí na teplotě vosku, vstřelovacím tlaku, době vstřikování, teplotě formy a na době ochlazování modelu ve formě. Vosk se proto udržuje na vstřikolisech v temperované nádobě v toleranci 0,5 C, např. 61 ±0,5 o C a kontroluje se na trysce. V temperovací nádobě je vosková směs neustále promíchávána míchacím zařízením. Produktivita výroby modelu se zajišťuje tím, že do formy se vstřikuje větší počet menších modelů, případně v etážích až několik desítek kusů. Hotové modely vyjímá obsluha vstřikolisu ručně a provádí jejich vizuální kontrolu. Každý např. 10. model je převažován a v případě odchylky od určených předepsaných hmotností se ihned zastavuje výroba. 32

Odlévání malých a drobných odlitků jednotlivě by bylo neekonomické. Voskové modely se proto sestavují do vtokové soustavy - stromečku. Větší série se sestavují do etáží. Vtoková soustava se skládá jako u klasického lití z vtokové jamky, vtokového kůlu, vtokových zářezů, rozváděcích kanálů a nálitku. Model vtokového kůlu se vyrábí se čtvercovým průřezem nebo jako šestihran, případně i kruhový. Pro každý sortiment je ve slévárně určeno pracovní místo, kde se shromažďují vtokové kůly a voskové modely. Centrální vtokový kůl se upne v horizontální rovině do přípravku a podle šablony, která vymezuje hlavní rozměry (vzdálenosti) se provádí lepení voskových modelů pomocí elektrické pájky ke kůlu. Vtokové zářezy jednotlivých modelů a místo na vtokovém kůlu se ohřejí a lehkým tlakem se ručně spojí. Lepí se vždy celá řada modelů a tyto se pak pro samonosné skořepiny ještě zpevňují na vnější straně keramickou trubičkou předem nahřátou v komorové pícce. Takto vzniká komplet, který je připraven k výrobě keramických skořepin. Obalení modelu keramickou hmotou a výroba skořepinových forem. Postup výroby a použití materiálů závisí na tom, zda se jedná o samonosnou nebo zasypávanou skořepinu. Principielně platí, že se suspenze z obalového materiálu nanáší na voskový stromeček. Potom se suspenze zasype ostřivem obalového materiálu vhodné zrnitosti a jednotlivé obaly se suší. Nanášení obalové suspenze se provádí zpravidla máčením a obalový materiál se sype na namočený stromeček. Obalování se provádí tak dlouho, dokud obal nedosáhne požadovanou tloušťku. Počet obalů je 3 až 10. První obal se nanáší přímo na model a nazývá se lícní obal. Pro lícní obal se používá ostřivo o velmi malé zrnitosti a s velmi vysokou žáruvzdorností - např. zirkonový písek. Pak se zrnitost ostřiva může zvyšovat (pro lepší prodyšnost) a také může klesat žáruvzdornost (např. se použije mullit nebo křemenná moučka). Pro jednodušší aplikace odlitků se běžně používá křemenná moučka i na lícní obal. Suspenze, do které se ponořuje stromeček musí dobře přilnout k modelu, nesmí chemicky reagovat s modelem a musí tvořit tuhou vazbu s následující vrstvou. Jako pojivo obalové suspenze se používá etylsilikát (C 2 H 5 O) 2 Si - směs esterů kyseliny křemičité. Etylsilikát se podrobuje hydrolýze a hydrolýzou uvolněný alkohol a část hydratované vody z gelu kyseliny křemičité se vypařuje v průběhu sušení a zbytek vody se uvolní při zahřátí formy na vyšší teplotu dehydratací. (C 2 H 5 O) 4 Si + H 2 O Si (OH) 4 + 4C 2 H 5 OH Si (OH) 4 + teplo Si O 2 + 2H 2 O V některých slévárnách se z ekologických i bezpečnostních důvodů přechází na výrobu vazké kapaliny ze silikasolu, kde dispergujícím prostředím je voda. Příprava suspenze spočívá v dokonalém promíchání tuhých a tekutých složek a v rovnoměrném obalení každé částečky křemenné moučky (nebo jiného ostřiva). Výroba prvního obalu se provádí tak, že obsluha po namočení stromečku do břečky ho umístí do přípravku, kolem kterého obtéká proud vzduchu požadované teploty. Pak se komplet umístí do posypového zařízení (sprchy), kde padá zirkonový nebo jiný písek. Tímto způsobem se vyrobí první (lícní) vrstva a stromeček se nechá zaschnout v klimatizovaném boxu s teplotou 18 C a vlhkosti 60-70%. Při výrobě 2. a 3. obalu se může komplet nechat vytvrdit čpavkovými parami z důvodu vytvrzování keramické skořepiny. Komplety se ukládají do 33

klimatizovaného boxu k vysušení a postupně se vyrábí další obaly. Důležité je udržení konstantní teploty sušení 2 C, protože při změnách a zvýšení teploty by se voskové modely zahřály tak, že by roztáhly skořepinu a ta by praskla. (Obr. 27) Obr. 27: Obalené skořepiny (sestavy) http://www.mk-technology.com/feinguss.html Vytavování vosku. Vytavování modelu se provádí ohřevem formy a modelového materiálu. Protože modelové materiály mají velký součinitel tepelné roztažnosti a nízkou tepelnou vodivost musí se ohřát tak rychle, aby se natavení jejich povrchu uskutečnilo před přehřátím objemu. V současné době se modelový materiál vytavuje horkou vodou, parou, horkým vzduchem, dielektricky a pod. Velmi účinné je vytavení vosku v autoklávu parou, kde při tlaku 0,8 MPa a teplotě 180 C proběhne tepelný šok, který slouží k vytavení vosku ze skořepin do 7 s. 34

Vyžíhání a odlévání skořepin. Po vytavení modelu se skořepina vypaluje, aby se z ní odstranily zbytky voskové hmoty. Při používání křemenné moučky se současně změní amorfní forma vazné vrstvičky SiO 2 na krystalickou formu. Vypalování forem se provádí v komorových nebo průběžných pecích při teplotách 900 až 1050 C. Při použití zasypávaných skořepin se žíhají i rámy s výplňovým materiálem. Žíhání pak trvá 3 až 6 hodin při použití suchého výplňového materiálu. Při použití samonosných skořepin se doba žíhání významně zkracuje. Odlévání (Obr. 28) se provádí z pánví do zahřáté skořepiny umístěné v rámech, u samonosných skořepin na pískovém loži. V některých slévárnách se používají sklopné pece, kdy pro každou skořepinu se nataví vždy jen tak přesné množství kovu, které odpovídá hmotnosti odlitku (stromečku). Při odlévání oceli se po odlití skořepina přikryje válcovým zvonem a ve válci dochází k sycení atmosféry N 2 s cílem vytvoření neutrální atmosféry, aby nedošlo k oduhličení povrchu odlitku. Pro odlévání velmi náročných dílů, např. pro letecký průmysl, lze kombinovat tuto metodu s odléváním ve vakuu. Odstraňování keramiky se provádí nejprve s pomocí hydraulického vibrátoru a pak ve vodním tryskači vodním paprskem nebo ocelovými broky např. v bubnovém tryskači. Oddělování vtoků (z kůlu i větviček) se provádí na rozbrušovačkách. Pokud si vytvoříme určitý systém předlévání kontrolních aretačních bodů na licích kůlech i větvičkách, můžeme při rozbrušování použít mechanizaci bez složitého upínání. Příklady hotových odlitků jsou na Obr. 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 a 36. Obr. 28: Odlévání vyžíhaných skořepin 35