The turnare fontă Procesul transformă fierul topit într-o componentă finită prin șase etape principale: modelare, pregătire matriță, topire, turnare, solidificare și răcire și operațiuni de finisare . Fierul este de obicei topit într-un cuptor cu cupola sau într-un cuptor cu inducție la temperaturi între 1.350°C și 1.450°C , apoi turnat într-o cavitate de nisip sau de mucegai permanent modelată după model. După ce metalul se solidifică și se răcește — un proces care poate dura oriunde 20 de minute până la câteva ore în funcție de grosimea piesei - turnarea este îndepărtată, curățată și prelucrată conform specificațiilor finale. Secțiunile de mai jos parcurg fiecare etapă în detaliu, împreună cu punctele de control al calității care separă o turnare fiabilă de una defectă.
Fiecare turnare începe cu un model - o replică a piesei finale, dar ușor supradimensionată pentru a ține cont de contracția metalului în timpul răcirii. Fonta se micșorează de obicei între 0,8% și 1,2% pe măsură ce se solidifică și se răcește la temperatura camerei, astfel încât producătorii de modele construiesc această alocație direct în dimensiunile modelului.
Modelele sunt de obicei realizate din lemn, aluminiu sau plastic, în funcție de volumul producției. Modelele din lemn sunt rentabile pentru prototipuri sau executări de volum redus, dar se uzează după aproximativ 50-100 de cicluri de matriță . Modelele din aluminiu sau oțel, deși sunt mai scumpe în avans, pot rezista la zeci de mii de cicluri și sunt standard pentru producția de volum mare.
Dacă piesa necesită cavități interne sau secțiuni goale, se construiesc cutii de miez separate pentru a produce miezuri de nisip. Aceste miezuri sunt introduse în cavitatea matriței înainte de turnare și sunt de obicei realizate din nisip lipit cu rășină pentru a rezista la căldura și presiunea metalului topit fără a se prăbuși.
Odată ce modelul este gata, este folosit pentru a crea cavitatea matriței care va modela fierul topit. Metoda de pregătire a matriței afectează în mod semnificativ finisarea suprafeței, acuratețea dimensională și costul de producție.
Cea mai utilizată metodă pentru fontă, turnarea cu nisip combină un amestec de nisip, argilă și apă (sau nisip legat de rășină) în jurul modelului pentru a forma o matriță din două părți, cunoscută sub numele de cope and drag. Această metodă este economică și flexibilă atât pentru loturi mici, cât și pentru piese mari, deși de obicei produce un finisaj mai dur al suprafeței de 125-250 microinchi Ra .
Turnarea cochiliei folosește nisip acoperit cu rășină încălzit pe un model metalic pentru a forma o cochilie subțire și rigidă. Acest lucru produce un finisaj semnificativ mai bun al suprafeței și toleranțe dimensionale mai strânse decât turnarea tradițională cu nisip, făcându-l potrivit pentru componente mai mici și de precizie.
Pentru producția de volum mare de geometrii mai simple, matrițele metalice reutilizabile pot înlocui în întregime matrițele de nisip. Se pot produce matrițe permanente mii de piese înainte de înlocuire și oferă un finisaj superior al suprafeței, deși costul mai mare al sculelor face ca această metodă să fie mai puțin economică pentru piesele de volum redus sau de formă complexă.
În timp ce matrița este pregătită, materiile prime - fontă brută, resturi de oțel și aditivi bogati în carbon - sunt topite într-un cuptor pentru a produce fier topit cu compoziția chimică dorită.
Cuptoarele cu cupolă, care ard cocs alături de încărcătura metalică, rămân comune în turnătoriile tradiționale datorită capacității de topire continuă și a costurilor de operare mai mici. Cuptoarele cu inducție, prin contrast, oferă un control mai precis al temperaturii și al chimiei și produc emisii mai mici, făcându-le din ce în ce mai populare în turnătoriile moderne, în ciuda costurilor mai mari ale energiei electrice.
Proprietățile fontei depind în mare măsură de conținutul de carbon și siliciu. Fierul gri conține de obicei 3,0-3,6% carbon și 1,8-2,8% siliciu , în timp ce fierul ductil necesită tratament suplimentar cu magneziu - de obicei 0,03-0,06% magneziu rezidual — pentru a produce structura grafitului sferoidal care îi conferă o ductilitate superioară față de fierul cenușiu.
Odată ce fierul de călcat atinge temperatura și chimia corecte, este transferat într-o oală și turnat în matrița pregătită printr-un sistem de blocare conceput pentru a controla debitul și a minimiza turbulențele.
Sistemul de închidere - constând din bazin de turnare, canalizare, canale și porți - direcționează metalul topit în cavitate, minimizând în același timp captarea aerului și turbulențele, ambele putând cauza defecte de porozitate în turnarea finită. De asemenea, sunt încorporate elemente de ridicare pentru a alimenta metal topit suplimentar în cavitate, pe măsură ce turnarea se micșorează în timpul solidificării, prevenind cavitățile de contracție.
Turnarea prea lent riscă o solidificare prematură înainte ca matrița să se umple complet, rezultând piese turnate incomplete cunoscute sub numele de „închidere la rece”. Turnarea prea repede crește turbulența și captarea gazelor. Turnătoriile vizează de obicei temperaturile de turnare în jur 1.300-1.400°C pentru fier gri, ajustat în funcție de grosimea piesei și complexitatea matriței.
După turnare, fierul topit începe să se solidifice din pereții matriței spre interior. Viteza de răcire afectează direct microstructura și proprietățile mecanice ale turnării, făcând această etapă critică pentru calitatea finală a piesei.
| Rata de racire | Structura rezultată | Efect tipic |
|---|---|---|
| Răcire lentă | Fulgi grosier de grafit | Rezistență mai mică, prelucrabilitate mai bună |
| Răcire moderată | Structură fină, uniformă din grafit | Rezistență și prelucrabilitate echilibrate |
| Răcire rapidă | Structură din fier alb (bogat în carburi). | Duritate mare, fragil, prelucrabilitate slabă |
Grosimea peretelui joacă un rol major în timpul de răcire. Un casting cu 25 mm grosime perete se poate solidifica complet în 30-45 de minute, în timp ce secțiunile mai groase care depășesc 100 mm pot dura câteva ore pentru a se răci complet. Grosimea neuniformă a peretelui într-o singură piesă poate cauza viteze de răcire diferențiate, ducând la tensiuni interne sau deformare dacă nu este gestionată corespunzător prin proiectarea matriței.
Odată solidificată și răcită la o temperatură de manipulare sigură, turnarea este îndepărtată din matriță și este supusă mai multor operațiuni de finisare înainte de a fi gata de utilizare.
În turnarea cu nisip, matrița este ruptă - de obicei folosind echipamente vibratoare de agitare - pentru a elibera turnarea de nisipul din jur. Nisipul recuperat este adesea cernut și reutilizat, iar turnătoriile moderne se recuperează 90% sau mai mult de nisip pentru matritele ulterioare.
Porțile, ghidajele și elementele de ridicare - excesul de metal din sistemul de deschidere - sunt tăiate folosind ferăstraie cu bandă, roți de tăiere abrazive sau tăiere cu plasmă, în funcție de grosimea secțiunii și volumul de producție.
Sablarea sau sablare cu nisip îndepărtează nisipul rezidual, depunerile și oxidarea suprafeței, pregătind turnarea pentru inspecție și prelucrare. Acest pas îmbunătățește, de asemenea, uniformitatea suprafeței înainte de orice proces de acoperire sau vopsire.
Cele mai multe piese turnate necesită prelucrare secundară pentru a obține toleranțe dimensionale finale pe suprafețe critice, cum ar fi fețele de îmbinare sau diametrele alezajului. Acolo unde sunt necesare proprietăți îmbunătățite, tratamente termice cum ar fi recoacere, normalizare sau temperare poate fi aplicat pentru ameliorarea tensiunilor interne sau pentru a atinge obiective specifice de duritate și rezistență.
Punctele de control al calității sunt integrate pe tot parcursul procesului de turnare și nu sunt aplicate doar la sfârșit, deoarece defectele introduse devreme sunt adesea imposibil de corectat ulterior.
Înțelegerea defectelor obișnuite ajută turnătorii și cumpărătorii deopotrivă să recunoască unde apar de obicei problemele de calitate în proces.
| Defect | Cauză comună | Metoda de prevenire |
|---|---|---|
| Porozitate | Gaz prins în timpul turnării | Design îmbunătățit al porții, degazare |
| Cavitatea de contracție | Hrănire insuficientă prin ridicare | Dimensionarea și amplasarea corectă a ridicătorului |
| Închis la rece | Se solidifică metalul înainte de umplerea matriței | Temperatură mai mare de turnare, umplere mai rapidă |
| Incluziunea de nisip | Eroziunea mucegaiului în timpul turnării | Rezistență îmbunătățită a nisipului, control al porții |
Procesul de turnare a fontei este o succesiune de etape interdependente, în care deciziile luate în timpul proiectării modelului și pregătirii matriței influențează direct rezultatele la turnare, solidificare și finisare. Un proces bine controlat - de la cotele de contracție precise la compoziția chimică precisă și gestionarea vitezei de răcire - produce piese turnate cu proprietăți mecanice consistente și defecte minime. Pentru inginerii și cumpărătorii care evaluează un partener de turnătorie, înțelegerea acestor șase etape oferă un cadru practic pentru evaluarea capacității procesului și identificarea unde riscurile de calitate sunt cel mai probabil să apară.
