Jak wybrać materiał na odlew?

Trwałość i niezawodność, podobnie jak dobra ruchomość konstrukcji i maszyn, zależą w dużej mierze od materiałów z jakich zostały wykonane. Wybór tworzywa z jakiego powstaną potencjalne odlewy jest jednym z pierwszych kroków w zapewnieniu najwyższej jakości elementów i instalacji oraz satysfakcjonującego efektu końcowego. Chcesz wiedzieć jak wybrać materiał na odlew? 

W tym artykule:

• dowiesz się jakie pytania warto postawić aby wybrać najlepszy materiał na odlew,
• poznasz kryteria doboru materiałów odlewniczych,
• poznasz właściwości decydujące o doborze materiałów odlewniczych,
• dowiesz się jakie są najpopularniejsze materiały odlewnicze i pokrótce poznasz ich charakterystykę.

Jakie informacje pomogą wybrać materiał na odlew?

Aby zaprojektować wyrób odlewniczy warto najpierw zdefiniować jakie funkcje użytkowe ma spełniać. W tym celu warto w możliwie najbardziej skonkretyzowany sposób określić specyfikę produktu, dzięki czemu już na etapie projektu zostanie uwzględniony materiał, z którego będziemy korzystać.

Pomogą w tym następujące pytania:

• Jakie funkcje ma spełniać produkt?
• Jakie jest przeznaczenie produktu lub elementu?
  Może to być np. transport, maszyny budowlane, czy okrętownictwo.
• Czy znamy potrzeby ilościowe?
  Dzięki temu pytaniu możemy określić jak dużej ilości i jakich rozmiarów odlewów potrzebujemy.
• W jakich warunkach będą użytkowane elementy?
  Czy układ z zastosowaniem odlewów będzie pracował pod wysoką temperaturą, będzie miał kontakt z wodą lub substancjami chemicznymi oraz czy będzie pracował jako element ruchomej konstrukcji?
• Jaki będzie miał kształt i właściwości geometryczne?
  Już na etapie projektowania należy pamiętać o rozważeniu z jakiego materiału będzie obiekt, aby uzyskać jego optymalne parametry.

Kryteria doboru materiałów na odlew

Doprecyzować powyższe pytania należy stosując kryteria, według których dokonuje się wyboru materiału odlewniczego. Są to kryteria:

• konstrukcyjne,
• technologiczne,
• ekonomiczne,
• ekologiczne,
• estetyczne.

Nie zawsze wszystkie z tych kryteriów muszą być uznawane za przydatne, a uwzględnienie ich w komplecie nie zawsze jest zasadne. Na przykład kiedy odlew ma być wewnętrznym elementem konstrukcyjnym maszyny budowlanej, istotnym nie będzie jednolity kolor lub inne właściwości świadczące o przyjazności elementu dla oka. Liczyć się będzie jednak nadal precyzja i dokładność wykonania.

Przyjrzyjmy się bliżej tym kryteriom.

Kryterium konstrukcyjne

Jest spełnione,  jeżeli gotowy odlew ma właściwości gwarantujące jego funkcjonalność i trwałość. 

Kryterium technologiczne

Te kryterium pozwala na wykonanie odlewu z użyciem materiału, który będzie miał pożądane właściwości, w wyniku czego można uniknąć czasochłonnego, energochłonnego i pracochłonnego procesu produkcji.

Kryterium ekonomiczne

Sprowadza się ono do wykorzystania materiału, który będzie najtańszy i najłatwiej dostępny spośród materiałów spełniających odpowiednie wymagania.

Kryterium ekologiczne

To kryterium, według którego wybiera się materiał o najdłuższej żywotności, biorąc pod uwagę fazę cyklu życia wyrobu (a więc wytwarzania, dystrybucji i użytkowania), włączając w to możliwość utylizacji i zagospodarowania (w tym ponownego użycia) wytworzonych odpadów.

Kryterium estetyczne

Na koniec kryterium istotne chociażby we wzornictwie przemysłowym. Uwzględnia ono aspekty estetyczne takie jak kształt, barwa, faktura powierzchni, proporcja, styl wykonania, możliwość formowania i odporność na zewnętrzne czynniki.

Parametry doboru materiałów na odlew

Po sprecyzowaniu naszych potrzeb i uwzględnieniu poszczególnych kryteriów, przechodzimy do ostatniego – niemniej najważniejszego – etapu doboru materiałów odlewniczych, czyli do ich właściwości. Pośród parametrów doboru materiałów odlewniczych wyróżniamy:

• właściwości fizyczne,
• właściwości chemiczne,
• właściwości mechaniczne i technologiczne,
• właściwości techniczne (użytkowe).

Jakie to konkretnie właściwości?

Warto przybliżyć właściwości niektórych materiałów na odlew

Gęstość

Gęstość to stosunek masy ciała jednorodnego do objętości, wyrażany w kg/m3 lub g/cm3 . Stopy i metale lekkie, jak np.: lit, sód, magnez, aluminium i ich stopy, odznaczają się małą gęstością. Dużą gęstość mają z kolei metale ciężkie, jak np.: żelazo, nikiel, miedź, wolfram, platyna i ich stopy. 

Temperatura topnienia

Zacznijmy od tego, że temperaturę topnienia metali i ich stopów opisuje się w stopniach Celsjusza (°C). Wszystkie metale są topliwe, jednak ich temperatura topnienia waha się w bardzo szerokich granicach. Z tego powodu dzieli się je na łatwo topliwe, trudno topliwe i bardzo trudno topliwe. Metale mają stałą temperatura topnienia, z kolei temperatura topnienia większości stopów mieści się w pewnych zakresach temperatury. 

Ciepło właściwe

Ten parametr oznacza ilość ciepła oddawanego lub pobieranego przez 1 g danej substancji przy zmianie temperatury o 1°C. Ciepło właściwe zależy od rodzaju substancji, temperatury i sposobu ogrzewania. 

Przewodnictwo cieplne

Przewodnictwo cieplne jest jedną z charakterystycznych cech metali i stopów. Miarą przewodnictwa cieplnego jest ilość ciepła, jaka przepływa przez przewodnik o długości 1 m o przekroju 1 m2 w ciągu 1 godziny przy różnicy temperatury wynoszącej 1°C. 

Przewodność elektryczna

Przewodnością elektryczną metali i stopów nazywamy zdolność przewodzenia prądu elektrycznego

Właściwości magnetyczne

Właściwości magnetyczne metali i stopów polegają na zdolności magnesowania się. 

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna metali i stopów przejawia się we wzroście wymiarów liniowych i objętości pod wpływem wzrostu temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia. Zjawisko rozszerzalności cieplnej ma duże znaczenie praktyczne i musi być uwzględniane w konstrukcjach mostów, urządzeń pracujących w zmiennych temperaturach i silnikach cieplnych. 

Właściwości mechaniczne i technologiczne

Właściwości mechaniczne określają odporność metalu na działanie czynników z zewnątrz. Natomiast właściwości technologiczne metali są sposobem określenia ich przydatność do przetwarzania. 

Jaki wybrać materiał na odlew?

Znając stronę teoretyczną zagadnienia, warto przyjrzeć się jego aspektowi praktycznemu. Podsumowując, w tej części naszego niewielkiego poradnika wskażemy właściwości i zastosowania przykładowych tworzyw wykorzystywanych w odlewnictwie, na przykładzie odlewów z żeliwa i staliwa.

Żeliwo

• żeliwo sferoidalne znajduje zastosowanie w kolejnictwie, na przykład jako materiał wykonania kół lokomotyw, elementów zawieszenia wagonów, klocków hamulcowych, w odlewach pracujących przy dużych obciążeniach oraz przy występujących obciążeniach zmiennych, jak  np. dźwignie, części napędów hydraulicznych, w odlewach poddawanych wysokiemu ciśnieniu, od których wymagana jest szczelność,
• żeliwo szare, zależnie od typu, świetnie sprawdza się przy wykonaniu odlewów pracujących w warunkach niskiego lub niedużego obciążenia, przy braku obciążeń zmiennych, od których wymagane jest tłumienie drgań, jako materiał do odlewania elementów ciężkich maszyn budowlanych i maszyn rolniczych, w odlewach o ściankach dużej grubości oraz wymaganej twardości, a więc w odlewach wymagających właściwości mechanicznych materiału,
• żeliwo ciągliwe wykorzystuje się w przemyśle motoryzacyjnym, okuciach budowlanych itp.,
• żeliwo austenityczne warto wykorzystać w elementach takich jak pompy, zawory, kompresory, tuleje cylindrowe, obudowy turbozespołów, czy np. kolektory spalin, nie pomijając aparatury pomiarowej wymagającej stabilności wymiarowej, 
• żeliwo chromowe znajdzie zastosowanie w odlewach, które powinny być odporne na działanie wysokiej temperatury.

Staliwo

• staliwo do stosowania w niskich temperaturach może być wykorzystywane chociażby w przemyśle petrochemicznym przy produkcji etylenu, w tlenowniach do ciekłego gazu ziemnego, 

• staliwo do stosowania w podwyższonej temperaturze sprawdzi się we wszystkich odlewach o złożonym kształcie i grubości ścianek do 120 mm, pracujące w temperaturze do 500 stopni,

• staliwo stopowe konstrukcyjne wykorzystuje się do wykonania odlewów o złożonym kształcie, które jednocześnie muszą zachować jednorodne własności w całym przekroju,

• staliwo narzędziowe znajduje zastosowanie m.in. w hutnictwie, w odlewach matryc kuźniczych, 

• staliwo żaroodporne znajduje zastosowanie m.in. w elementach pieców, elementach instalacji ropy naftowej i gazu, 

• staliwo żaroodporne i żarowytrzymałe nadaje się do odlewów żarowytrzymałych, pracujących w atmosferze redukującej do 1000 st. C; ten tym staliwa jest odporny na działanie roztopionych metali i kąpieli solnych, sprawdza się więc np. w rusztach,

• staliwo odporne na ścieranie wykorzystuje się w odlewach narażonych na intensywne zużycie,

• staliwo odporne na korozję stosuje się w odlewach narażonych na działanie kwasu azotowego o stężeniach do ok. 70% i rozcieńczonego, słabych kwasów organicznych. Takie staliwo ma też podwyższoną odporność na korozję międzykrystaliczną, korozję w wodzie, parze wodnej, czyli np. w elementach pomp, wałach turbin wodnych i parowych, śrubach okrętowych
• staliwo niestopowe (węglowe) konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia znajduje zastosowanie na przykład w odlewach stosowanych w przemyśle kolejowym, motoryzacyjnym czy ogólnie w odlewach, które wymagają niższej plastyczności i większej trwałości albo niższej ciągliwości, zależnie od typu.

Potrzebujesz pomocy w doborze materiałów odlewniczych? Napisz do nas.

Chcesz zlecić wykonanie odlewów profesjonalistom? W tym przypadku sprawdź naszą ofertę.

Źródła:

1. Metaloznawstwo- Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych, praca zbiorowa pod redakcją Joanny Hucińskiej 
2. Odlewnictwo, dr inż. Robert Skoblik