The lijev od lijevanog željeza proces transformira rastaljeno željezo u gotovu komponentu kroz šest osnovnih faza: izrada kroja, priprema kalupa, taljenje, izlijevanje, skrućivanje i hlađenje te završne operacije . Željezo se obično tali u kupolnoj ili indukcijskoj peći na temperaturama između 1350°C i 1450°C , zatim uliven u pijesak ili trajnu šupljinu kalupa oblikovanu uzorkom. Nakon što se metal skrutne i ohladi - proces koji može potrajati bilo gdje 20 minuta do nekoliko sati ovisno o debljini dijela—odljevak se uklanja, čisti i strojno obrađuje do konačnih specifikacija. Odjeljci u nastavku detaljno govore o svakoj fazi, zajedno s kontrolnim točkama kvalitete koje odvajaju pouzdani odljevak od neispravnog.
Svaki odljevak počinje uzorkom — replikom završnog dijela, ali malo većeg zbog skupljanja metala tijekom hlađenja. Lijevano željezo se obično skuplja između 0,8% i 1,2% kako se skrutne i ohladi na sobnu temperaturu, tako da izrađivači uzoraka ugrađuju ovaj dodatak izravno u dimenzije uzorka.
Uzorci se obično izrađuju od drva, aluminija ili plastike, ovisno o obujmu proizvodnje. Drveni uzorci su isplativi za prototipove ili male serije, ali se istroše nakon otprilike 50-100 ciklusa kalupa . Aluminijski ili čelični uzorci, iako su unaprijed skuplji, mogu izdržati desetke tisuća ciklusa i standardni su za proizvodnju velikih količina.
Ako dio zahtijeva unutarnje šupljine ili šuplje dijelove, izrađuju se zasebne kutije za jezgre za proizvodnju pješčanih jezgri. Ove se jezgre umeću u šupljinu kalupa prije izlijevanja i obično su izrađene od pijeska spojenog smolom kako bi izdržale toplinu i pritisak rastaljenog metala bez kolapsa.
Nakon što je uzorak spreman, koristi se za stvaranje šupljine kalupa koja će oblikovati rastaljeno željezo. Metoda pripreme kalupa značajno utječe na završnu obradu površine, točnost dimenzija i troškove proizvodnje.
Najčešće korištena metoda za lijevano željezo, lijevanje u pijesak, pakira mješavinu pijeska, gline i vode (ili pijeska vezanog smolom) oko uzorka kako bi se formirao dvodijelni kalup, poznat kao kalup i koplje. Ova metoda je ekonomična i fleksibilna i za male serije i za velike dijelove, iako obično proizvodi grublju završnu obradu površine 125-250 mikroinča Ra .
Oblikovanje školjke koristi pijesak obložen smolom zagrijan na metalnom uzorku kako bi se oblikovala tanka, kruta školjka. Ovo proizvodi značajno bolju završnu obradu površine i strože tolerancije dimenzija od tradicionalnog lijevanja u pijesak, što ga čini prikladnim za manje, precizne komponente.
Za proizvodnju velikih količina jednostavnijih geometrija, metalni kalupi za višekratnu upotrebu mogu u potpunosti zamijeniti pješčane kalupe. Trajni plijesni mogu proizvesti tisuće dijelova prije zamjene i daju vrhunsku završnu obradu površine, iako veća cijena alata čini ovu metodu manje ekonomičnom za dijelove malog volumena ili složenog oblika.
Dok se kalup priprema, sirovine — sirovo željezo, čelični otpad i aditivi bogati ugljikom — tope se u peći kako bi se dobilo rastaljeno željezo željenog kemijskog sastava.
Kupolne peći, koje sagorijevaju koks uz metalnu šaržu, i dalje su uobičajene u tradicionalnim ljevaonicama zbog svoje mogućnosti kontinuiranog taljenja i nižih troškova rada. Nasuprot tome, indukcijske peći nude precizniju kontrolu temperature i kemije te proizvode niže emisije, što ih čini sve popularnijima u modernim ljevaonicama unatoč višim troškovima električne energije.
Svojstva lijevanog željeza uvelike ovise o sadržaju ugljika i silicija. Sivo željezo obično sadrži 3,0-3,6% ugljika i 1,8-2,8% silicija , dok nodularni lij zahtijeva dodatnu obradu magnezijem—obično 0,03-0,06% zaostalog magnezija — za proizvodnju sferoidne strukture grafita koja mu daje superiornu duktilnost u odnosu na sivi lijev.
Nakon što željezo postigne odgovarajuću temperaturu i kemijski sastav, prenosi se u lonac i ulijeva u pripremljeni kalup kroz sustav zatvarača dizajniran za kontrolu protoka i minimiziranje turbulencije.
Sustav zatvarača—koji se sastoji od bazena za izlijevanje, cijevi, vodilica i vrata—usmjerava rastaljeni metal u šupljinu dok minimizira zarobljavanje zraka i turbulenciju, a oboje može uzrokovati defekte poroznosti u gotovom odljevku. Usponi su također ugrađeni za dovod dodatnog rastaljenog metala u šupljinu dok se odljevak skuplja tijekom skrućivanja, sprječavajući šupljine skupljanja.
Presporo izlijevanje riskira prerano skrućivanje prije nego što se kalup u potpunosti ispuni, što rezultira nepotpunim odljevcima poznatim kao "hladni zatvarači". Prebrzo izlijevanje povećava turbulenciju i zadržavanje plina. Ljevaonice obično ciljaju na temperature izlijevanja 1300-1400°C za sivo željezo, prilagođeno na temelju debljine dijela i složenosti kalupa.
Nakon izlijevanja rastaljeno željezo počinje se skrućivati od stijenki kalupa prema unutra. Brzina hlađenja izravno utječe na mikrostrukturu i mehanička svojstva odljevka, čineći ovu fazu kritičnom za kvalitetu konačnog dijela.
| Brzina hlađenja | Rezultirajuća struktura | Tipični učinak |
|---|---|---|
| Sporo hlađenje | Grube grafitne ljuskice | Niža čvrstoća, bolja obradivost |
| Umjereno hlađenje | Fina, ujednačena struktura grafita | Uravnotežena čvrstoća i obradivost |
| Brzo hlađenje | Struktura bijelog željeza (bogata karbidom). | Visoka tvrdoća, krhkost, loša obradivost |
Debljina stijenke igra glavnu ulogu u vremenu hlađenja. Odljev sa 25 mm debljine stijenke može potpuno očvrsnuti unutar 30-45 minuta, dok debljim dijelovima većim od 100 mm može trebati nekoliko sati da se potpuno ohlade. Nejednaka debljina stijenke na jednom dijelu može uzrokovati različite stope hlađenja, što dovodi do unutarnjih naprezanja ili savijanja ako se ne upravlja pravilno kroz dizajn kalupa.
Nakon što se skrutne i ohladi na sigurnu temperaturu za rukovanje, odljevak se uklanja iz kalupa i prolazi kroz nekoliko završnih operacija prije nego što bude spreman za upotrebu.
Kod lijevanja u pijesak, kalup se rastavlja - obično pomoću vibrirajuće opreme za istresanje - kako bi se odljevak oslobodio okolnog pijeska. Prerađeni pijesak često se prosijava i ponovno koristi, a moderne ljevaonice se oporavljaju 90% ili više pijeska za sljedeće kalupe.
Zatvarači, vodilice i usponi — višak metala iz sustava za zatvaranje — odsijecaju se pomoću tračnih pila, abrazivnih reznih ploča ili plazma rezanja, ovisno o debljini presjeka i obujmu proizvodnje.
Sačmarenje ili pjeskarenje uklanja zaostali pijesak, kamenac i površinsku oksidaciju, pripremajući odljevak za pregled i strojnu obradu. Ovaj korak također poboljšava ujednačenost površine prije bilo kakvog postupka premazivanja ili bojanja.
Većina odljevaka zahtijeva sekundarnu strojnu obradu kako bi se postigla konačna dimenzijska tolerancija na kritičnim površinama kao što su spojne površine ili promjeri provrta. Gdje su potrebna poboljšana svojstva, toplinska obrada kao što je žarenje, normaliziranje ili austempiranje može se primijeniti za ublažavanje unutarnjih naprezanja ili postizanje specifičnih ciljeva tvrdoće i čvrstoće.
Kontrolne točke kontrole kvalitete integrirane su tijekom cijelog procesa lijevanja umjesto da se primjenjuju samo na kraju, budući da je nedostatke koji su uvedeni rano često nemoguće ispraviti kasnije.
Razumijevanje uobičajenih nedostataka pomaže ljevaonicama i kupcima da prepoznaju gdje u procesu obično nastaju problemi s kvalitetom.
| kvar | Zajednički uzrok | Metoda prevencije |
|---|---|---|
| Poroznost | Zarobljeni plin tijekom ulijevanja | Poboljšani dizajn zatvarača, otplinjavanje |
| Šupljina skupljanja | Nedovoljno napajanje usponom | Ispravno dimenzioniranje i postavljanje uspona |
| Hladno zatvoreno | Stvrdnjavanje metala prije punjenja kalupa | Viša temperatura izlijevanja, brže punjenje |
| Uključivanje pijeska | Erozija kalupa tijekom izlijevanja | Poboljšana čvrstoća pijeska, kontrola zatvaranja |
Proces lijevanja od lijevanog željeza slijed je međuovisnih faza, gdje odluke donesene tijekom dizajna uzorka i pripreme kalupa izravno utječu na rezultate pri lijevanju, skrućivanju i završnoj obradi. Dobro kontrolirani proces - od točnih dopuštenih skupljanja do preciznog upravljanja kemijskim sastavom i brzinom hlađenja - proizvodi odljevke s dosljednim mehaničkim svojstvima i minimalnim nedostacima. Za inženjere i kupce koji procjenjuju partnera u ljevaonici, razumijevanje ovih šest faza pruža praktičan okvir za procjenu sposobnosti procesa i prepoznavanje gdje će se najvjerojatnije pojaviti rizici kvalitete.
