Odlewanie to proces technologiczny, w którym ciekły metal wypełnia wnękę formy, a następnie krzepnie, przyjmując jej kształt. Gotowy przedmiot uzyskany w ten sposób nazywa się odlewem.
Czym jest odlewanie?
Odlewanie służy do kształtowania metali i ich stopów bezpośrednio w formie. Materiał zostaje najpierw podgrzany do temperatury, w której staje się ciekły, a następnie doprowadzony do przygotowanej wnęki. Po ochłodzeniu i zakrzepnięciu powstaje element o geometrii odwzorowanej przez formę.
Forma odlewnicza pełni więc funkcję narzędzia nadającego kształt, natomiast odlewanie oznacza cały proces, obejmujący przygotowanie formy, topienie materiału, zalewanie i krzepnięcie. Odlew jest produktem tego procesu. Metoda pozwala wytwarzać zarówno proste elementy, jak i części o złożonych kształtach, których wykonanie metodami obróbki skrawaniem byłoby trudne lub wiązałoby się z dużą ilością odpadu.
Jak powstaje odlew?
Na końcową jakość elementu wpływa każdy etap procesu. Typowy przebieg produkcji obejmuje:
- Przygotowanie modelu – model odwzorowuje kształt przyszłego odlewu i uwzględnia między innymi naddatki oraz przewidywany skurcz materiału.
- Wykonanie formy – na podstawie modelu powstaje wnęka, do której zostanie wlany ciekły metal. W razie potrzeby stosuje się także rdzenie, które tworzą otwory i kanały wewnętrzne.
- Topienie metalu – wybrany metal lub stop jest podgrzewany w piecu do temperatury umożliwiającej jego bezpieczne i równomierne zalanie.
- Zalewanie formy – ciekły materiał trafia do wnęki grawitacyjnie, pod ciśnieniem albo z wykorzystaniem siły odśrodkowej.
- Krzepnięcie i stygnięcie – metal traci ciepło, zmienia stan skupienia i uzyskuje właściwości związane z zastosowanym stopem oraz warunkami chłodzenia.
- Wybijanie i wykańczanie – odlew zostaje wyjęty z formy, oczyszczony z pozostałości masy, układu wlewowego i nadlewów, a następnie poddany obróbce mechanicznej lub cieplnej, jeśli wymaga tego zastosowanie.
Rodzaje form i metod odlewania
Podstawowy podział form wynika z możliwości ich ponownego użycia. Formy jednorazowe, na przykład piaskowe, ceramiczne lub wykonywane metodą wytapianych modeli, ulegają zniszczeniu podczas wyjmowania odlewu albo są przygotowywane od nowa dla kolejnego elementu. Ich zaletą jest elastyczność i możliwość odwzorowania skomplikowanych kształtów.
Formy trwałe mogą być używane wielokrotnie. Najczęściej wykonuje się je z metalu, a w niektórych zastosowaniach także z materiałów odpornych na wysoką temperaturę. Metalowa forma trwała nazywa się kokilą, dlatego odlewanie z jej użyciem określa się jako odlewanie kokilowe. Takie rozwiązanie wymaga większego nakładu na przygotowanie formy, ale przy większych seriach może zapewnić powtarzalność, krótszy czas cyklu i gładszą powierzchnię odlewu.
Metody różnią się także sposobem doprowadzenia ciekłego metalu do wnęki:
| Metoda | Forma | Precyzja | Główne zastosowanie |
| Grawitacyjna | Jednorazowa lub trwała | Umiarkowana, zależna od formy i kontroli procesu | Odlewy piaskowe, kokilowe i elementy o różnych rozmiarach |
| Ciśnieniowa | Najczęściej trwała, metalowa | Wysoka dokładność wymiarowa i dobra jakość powierzchni | Produkcja seryjna cienkościennych elementów, szczególnie ze stopów nieżelaznych |
| Odśrodkowa | Trwała, obracająca się forma | Wysoka w elementach o kształcie pierścieniowym lub rurowym | Rury, tuleje i inne odlewy, w których ważna jest zwarta struktura |
W odlewaniu grawitacyjnym metal wpływa do formy pod własnym ciężarem. W odlewaniu ciśnieniowym zostaje wtłoczony do zamkniętej matrycy pod wysokim ciśnieniem, dzięki czemu dobrze wypełnia cienkie i złożone fragmenty wnęki. Odlewanie odśrodkowe wykorzystuje obrót formy, który przemieszczając ciekły metal, sprzyja uzyskaniu gęstego odlewu. Dobór metody zależy między innymi od rodzaju stopu, wymaganej dokładności, geometrii części oraz wielkości serii.
Co wpływa na jakość odlewu?
Lejność oznacza zdolność ciekłego metalu do wypełnienia całej wnęki formy przed rozpoczęciem krzepnięcia. Zależy między innymi od temperatury ciekłego materiału, jego składu i lepkości. Zbyt mała lejność może powodować niedolewy, czyli niepełne odwzorowanie kształtu.
Skurcz odlewniczy to zmniejszenie objętości metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia. Jeżeli projekt formy oraz układ zasilania nie uwzględniają tego zjawiska, mogą powstać jamy skurczowe, pęknięcia lub odchyłki wymiarowe. To dlatego model i forma często mają wymiary nieco inne niż gotowy element.
Znaczenie mają również właściwości mechaniczne stopu, takie jak twardość, udarność i odporność na zużycie. Zależą one od składu materiału oraz od szybkości i warunków chłodzenia. W odlewnictwie stosuje się między innymi żeliwo, staliwo, aluminium, miedź i cynk. Staliwo jest stopem żelaza z węglem przeznaczonym do wytwarzania elementów o wymaganej wytrzymałości, a jego właściwości mogą być później kształtowane także przez obróbkę cieplną.
Wybór między formą jednorazową a trwałą oraz między zalewaniem grawitacyjnym, ciśnieniowym i odśrodkowym wynika z połączenia kilku czynników: geometrii odlewu, rodzaju materiału, wymaganej dokładności i wielkości produkowanej serii.
