s t r a n a | 1

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

1. Livenje

Livenje je postupak obrade metala bez skidanja strugotine. Livarstvo prestavlja tehnologiju oblikovanja metalnih

predmeta livenjem rastopljenog metala u urađene kalupe pomoću modela, da bi se tako, poslije hlađenja dobio odlivak.

Livenje je veoma pogodan postupak izrade mašinskih dijelova čiji je oblik komplikovan sa unutrašnjim konturama i

nepravilnim kanalima. Livenje se takođe koristi i za ekonomčniju izradu mašinskih dijelova i elemenata. Primjenom

livenih dijelova u brodogradnji postiže se pojednostavljenje konstrukcija. U automobilskoj industriji liveni dijelovi se

koriste kao blokovi, glave i klipovi motora. Savremena tehnologija i modernija oprema za livenje omogućava dobijanje

odlivaka različitih dimenzija, tačnosti i kvaliteta površine, čime je potreba za naknadnom mehaničkom obradom sve

manje prisutna.

Livenje - topljenje metala - ulivanje u kalup pod uticajem gravitacione ili druge sile - očvršćavanje - postupak obrade metala bez skidanja strugotine. Livarstvo predstavlja tehnologiju oblikovanja metalnih predmeta livenjem rastopljenog metala u urađene kalupe pomoću modela, da bi se tako, poslije hlađenja dobio odlivak. Livljivost je sposobnost taline da popuni kalup prije skrućivanja. Prednosti procesa livenja:

● izrada elemenata složene geometrije vanjskih i unutrašnjih oblika ● moguće je dobiti dosta visoku diomenzionu tačnost ● moguće je proizvesti velike oblike ● moguće je liti bilo koji metal ● jedina je alternativa za neke materijale ● jednostavni i jeftini alati za većinu postupaka ● masovna proizvodnja ● mali škart ● veliki raspon dimenzija i mase dijelova (1g - 250T)

Nedostaci: ● ograničenja u mehaničkim osobinama i poroznosti ● zahtijeva mnogo radne snage ● dimenziona tačnost ● kvalitet površina (popravljeno kod preciznog i školjkastog livenja) ● opasnost u proizvodnji ● skupljanje i segregacija

Postupci livenja:

● Jednokratni kalupi: ○ precizno livenje ○ livenje u školjkasti kalup ○ livenje u puni kalup ○ livenje u gipsani kalup ○ livenje u keramički kalup ○ livenje pod vakuumom

● Trajni kalupi: ○ livenje u kohile ○ livenje pod pritiskom ○ centrifugalno livenje ○ livenje sa stiskanjem ○ kontinuirano livenje

Najzastupljeniji oblik je livenje u pješčane kalupe i zauzima oko 60% ukupne prozivodnje.

s t r a n a | 2

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

1.1. Livenje u pješčane kalupe

Za izradu kalupa potrebni su modeli koji se izrađuju u modelarnici najčešće od drveta i metala. Najčešće i najkvalitetnije

drvo za izradu modela je lipa. Ako odlivak ima unutrašnju šupljinu, koriste se jezgrenici za izradu jezgara. U odjeljenu za

kalupovanje livnice, pomoću modela i jezgrenika izrađuju se kalup i jezgro koje je uglavnom od pijeska određene vrste i

kvaliteta, uz još neki dodatak. Na pločama za kalupovanje se postave odgovarajući modeli, koji se zapraše prahom koji se

zove likapodijum. Zaprašivanje se vrši da se vlažan pijesak ne bi zalijepio za model. Zatim se kalupna mješavina ručnim

nabijačima ili pomoću kaluparskih mašina sabija u metalne okvire tzv. kalupnike. Nakon sabijanja pijeska obezbijede se

kanali za odvođenje gasova iz kalupa (zvani odušci) koji mogu da prouzrokuju poroznost odlivaka i samim tim ga učine

neupotrebljivim. Tako sabijen jedan dio kalupa se okreće, na njega se postavlja drugi dio ili dijelovi modela, ulivni sistemi,

sistemi za prikupljanje šljake i sistemi za hranjenje odlivaka koji obezbeđuju dotok tečnog metala prilikom hlađenja

odlivaka. Slijedeća operacija je sabijanje pijeska u gornjem dijelu kalupa. Kada se i ova operacija završi kalupi se rastave i

iz njih izvade modeli. Ako odlivak ima i neku unutrašnju šupljinu u kalup se ulaže jedno ili više prethodno pripremljenih

jezgara.

Prije nalivanju rastopljenog metala kalup se mora potpuno sklopiti, tako da obrazuje čvrsto nalijeganje. Tada se kroz čašu

i kanale ulivnog sistema liv uliva u ulivnu šupljinu kalupa.

1.2. Livenje u školjkasti kalup

Suština procesa livenja sastoji se u izradi školjke od pijeska obložene smolom koja na određenoj temperaturi očvršćava.

Tako dobijena školjka ima glatku površinu sa tačnim dimenzijama šupljine kalupa.Proces formiranja školjke zasniva se na

svojstvima termoočvršćavajućih smola.Pri izradi školjkastih kalupa I jezgara kao vezivno sredstvo se koriste

termoplastične smole u koje se dodaje očvršćivač. - C I oblažu zrnca kvarcnog

pijeska.Hlađenjem smola očvršćava vezujući zrna pijeska pri čemu nastaje fina i čvrsta kora(školjka) male debljine 5-15

mm.Kalupi se prave na automatskim mašinama.Ovim se postupkom liju odlivci od čelika,željeza i obojenih

metala.Odlivci imaju visoku geom.tačnost i glatke površine.Isplati se samo u velikoserijskoj proizvodnji zbog visoke

cijene opreme i smola.

s t r a n a | 3

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

Prednosti: glatka površina kalupne šupljine omogućava tečenje litine i bolju kvalitetu površine odljevka; visoka dimenzijska tačnost; dorada često uopšte nije potrebna; zbog urušljivosti kalupa ne dolazi do pojave pukotina na odljevku; može se mehanizirati za velikoserijsku proizvodnju. Nedostaci: skuplji metalni modeli; nije primjenjivo za manje serije ili pojedinačnu proizvodnju

1.3. Livenje u puni kalup Prednosti: model nije potrebno uklanjati iz kalupa; izrada kalupa je jednostavnija i brža od izrade pješčanog kalupa, jer nisu potrebna dva dijela kalupa, automatizacija za masovnu proizvodnju automobilskih motora (blok, glava). Nedostaci: za svaki odljevak potreban je novi kalup, ekonomska opravdanost postupka znatno ovisi o proizvodnoj cijeni modela.

s t r a n a | 4

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

1.4. Livenje pod pritiskom Rastopljeni metal se ulije pod visokim pritiskom u tačno izrađenu šupljinu čeličnog alata koju u potpunosti ispunjava.

Metal se nalazi svo vrijeme pod dejstvom visokog pritiska sve do stvrdnjavanja. Odlivci imaju glatku površinu, dobru

strukturu i tačne dimenzije. Livenjem pod pritiskom odlivci se izrađuju brzo jedna iza drugog, te tako se dobije serija

odlivaka koji po karakteristikama i dimenzijama, kao i po obliku međusobno ne razlikuju.

Razlikujemo:

● postupke s vrućom komorom (topljenje metala je u sklopu same mašine)

● postupke s hladnom komorom (topljenje metala je van mašine) Kod livenja na mašinama s toplim komorama, komora za ulivanje se nalazi uronjena u rastopljeni materijala i zagrijana na temperaturu rastopljenog metala, dok kod livenja na mašinama s hladnim komorama, rastopljeni metal ulazi pod niskim pritiskom kroz ulivne kanale u šupljinu materijala.

Proces kretanja metala u komori presovanja može se podijeliti u četiri faze. (slika) Faza 1: Presujući klip zatvara otvor komore za vrijeme T1 . Brzina kretanja klipa v1 je dosta mala, visina pritiska fluida p1 u hidrauličnom cilindru odgovara pritisku koji treba da savlada otpore u hidrauličkom cilindru i komori presovanja. Faza 2: U T2 periodu komora presovanja ispunjena je metalom do ulaznih kanala. Brzina klipa počinj e rasti i dostiže maksimalnu vrijednost. Faza 3: U periodu T3 puni se ulivni sistem i šupljina alata rastopljenim metalom. Usled naglog suženja struje metala u ulivnom metalu, brzina kretanja klipa pada na vrijednost v3, a pritisak p3 rate. Kraj faze 3 nastaje u trenutku potpunog popunjavanja alata rastoljenim materijalom. U trenutku završetka kretanja presujećeg lipa, usljed inercionih sila pokretnih dijelova presujućeg mehanizma, pritisak naglo raste na vrijednost pritiska dopresovanja. Poslije prestanka oscilovanja visine pritiska uspostavlja se konačna visino hidrostatičkog pritiska p4 i počinje faza 4 dopresovanja. Visina pritiska dopresovanja zavisi od vrste legure i može se kretati od 50 - 5000 bara. Mnaksimalne sile dipresovanja treba ostvariti ne u trenutku početka očvršćavanja, već praktično odmah po završetku punjenja alata rastopljenim metalom.

1.5. Precizno livenje Odlivci koji se dobijaju ulijevanjem metala u kalupe izrađene pomoću rastopljivih (voštanih ili plastičnih) modela zovu se precizni odlivci. Ovim postupkom možemo izraditi dijelove komplikovanog oblika koji drugim postupcima ne bi mogli biti izrađeni, ili bi sama izrada bila veoma skupa. Primjenjuju se za livenje svih vrsta legura. Odlivci imaju veoma kvalitetne površine, kao i tačne oblike i dimenzije. Isplativo je za serije do nekoliko stotina odlivaka. Tehnološki postupak izrade odlivaka za precizno livenje:

● razrada crteža odlivka po crtežu dijela s dodacima za završne operacije ● projektovanje alata za izradu modela po crtežu odlivka, uzimanjem u obzir skuljanja modelnog sastava i legure

odlivka. Alat se radi od čelika ili se lije po uzorku od lahko topivih legura ● topljenje modelnog satava i hlađenje do pastastog stanja

s t r a n a | 5

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

● izrada topivih modela utiskivanjem modelnog sastava pod pritiskom u alat ● rastavljanje alata, vađenje lahko topivog modela ● montaža modela u modelni komplet (spajanje u “grozd”) ● priprema suspenzije za izradu školjke - suspenzija se sastoji iz mješavine rastvora etil-silikona i vatrostalnog

materijala. Sastav suspenzije zavisi od slojeva koji formiraju školjku, npr. sastav suspenzije za nanošenje jednog sloja na modelni komplet je mljeveni kvarc 70% i 30% dirolizovan etil silikat, drugi sloj 60%-40%

● izrada vatrostalne školjke (uranjanje modelnog kompleta u posude sa suspenzijom, najčešće 3-4 puta i zasipanje

suhim kvarcnim pijeskom, a zatim sušenje

● topljenje modela iz vatrostalne školjke u toploj vodi ili toplim zrakom

● školjka se stavlja u okrugle ili četvrtaste sanduke (kalupnik), a zatim se u sanduk oko školjke sipa suhi kvarcni

pijesak

● žarenje školjke (800-900°C) - kalup s vatrostalnom školjkom se unosi u peć, gdje se školjka žari ● topljenje legure ● livenje ● izbijanje odlivka iz kalupa - nakon hlađenja odlivka, kalup se stavlja na vibracioni uređaj, pijesak se odstranjuje i

oslobađa se odlivak ● odsijecanje od odlivnog sistema ● skidanje ostatka školjke s odlivka ● naknadna termička obrada (po potrebi)

1.6. Centrifugalno livenje

Centrifugalno livenje je postupak kojim se liju rotaciona tijela korištenjem principa centrifugalne sile. Centrifugalna sila

nastaje obrtanjem kokile, i tada dolazi do raspodela rastopljenog metala po zidovima ulivne šupljine. To omogućava

izradu šupljih rotacionih tijela čija je osa simetrije – osa rotacije. Za stvaranje centrifugalne sile koriste se kalupi koji se

okreću ili oko svoje horizontalne ili oko svoje vertikalne ose. Mašine kod kojih se kokile obrću oko vertikalne ose služe za

dobijanje manjih odlivaka kod kojih je visina manja od prečnika. Kod mašina kod kojih se kalup okreće du ž svoje

horizontalne ose, dobija se odlivak veće visine sa relativno malim prečnikom.

Centrifugalno livenje ima određene prednosti kao što su: nema potreba za jezgrima prilikom izrade šupljine u odlivku,

utrošak materijala je smanjen na minimum, dobra struktura odlivka, dodaci za mehaničku doradu su minimalni i cena

olivka je niža u odnosu na druga livenja što pospešuje ekonomičniju potrošnju i povećanje reproduktivnosti.

Centrifugalno livenje primjenjuje se za livenje cilindričnih šupljih dijelova kod kojih je neophodna kompaktna struktura

materijala bez gasne poroznosti, npr. košuljice cilindara motora SUS, razni prstenasti umeci, klizni ležajevi. Postupak je

primjenjiv za sve legure. Za odlivke čiji je prečnik veći od dužine (visine) upotrebljavaju se mašine s vertikalnom osom. Za

dugačke odlivke – cijevi – upotrebaljavaju se mašine sa nagnutom osom 3÷5° u odnosu na horizontalu, a kokila može i da

se uzdužno pomijera. Alati – kokile se izrađuju od sivog lima. Sa unutrašnje strane se premazuju premazima mješavine

kvarcnog pijeska i grafita. Također, alati mogu biti spolja hlađeni vodom.

Za razliku od ostalih postupaka livenja, pri centrifugalnom livenju kalup se rotira, pa zbog djelovanja centrifugalne sile

metal se raspoređuje po šupljini kalupa. Ulivanje i stvrdnjavanje odlivka se vrši istovremeno djelovanjem centrifugalne

sile i težine materijala. Centrifugalna sila ne djeljuje samo na oblik, nego i na osobine odlivka. Osa okretanja kokile može

biti vertikalna – formira se unutrašnja površina u obliku parabole, ili horizontalna – formiraju se cilindrični dijelovi.Glavni

parametar livenja je broj obrtaja.

Prednosti su bolje popunjavanje kalupa i bolje izdvajanje nečistoća usljed centrifugalne sile, nije potreban ulivni sistem

niti hranitelj, iskorištenje materijala je 95÷98%, procenat škarta je mnogo manji u poređenju s livenjem u pijesku , a

s t r a n a | 6

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

nedostaci su u tome da legirajući elementi koji su teži bježe na jednu stranu, a lakši na drugu stranu usljed razlika u

gustinama, te to da je sam proces znatno nesiguran.

Veličina centrifugalne sile treba da bude veća od težine, da bi se liv podijelio ravnomjerno po zidu kokile. Iz ovih razloga

uspjeh livenja ovisi od brzine okretanja, koja mora biti velika, da bi se spriječilo kapanje liva sa zida alata.

Gravitacioni koeficijent k – odnos centrifugalne sile i težine:

Veličina k karakteriše stepen dejstva centrifugalne sile na metal. Njegova vrijednost najčešće je 30÷100, a u nekim

slučajevima i više. Sile koje djeluju pri obrtanju kalupa na rastopljeni metal doprinose:

- dobrom popunjavanju kalupa rastopljenim metalom

- povećanju gustine odlivka izdvajanjem nemetalnih uključaka i gasa iz rastopljenog metala

- formiranju unutrašnjih površinskih oblika

Dejstvo centrifugalne sile može se negativno odraziti na homogenost odlivka po hemijskom sasatvu, obrazovanje

pukotina u odlivku usljed dejstva pritiska metala na očvrsle spoljašnje spojeve.

1.6.1. Geometrija slobodne površine pri vertikalnoj osi obrtanja

Kako se čestice nalaze u relativnom mirovanju u

odnosu na kalup, to se može koristiti jednačina

hidrodinamike koja je poznata kao jednačina

Eulera:

→

Kod skraćivanja i integriranja:

za r2 – r1 = δ →

1.6.2. Slobodna površina pri horizontalnoj osi obrtanja

→

Jednačina pokazuje da ekstrencititet rastopljenog metala pri

livenju na mašini s horizontalnom osom obrtanja kalupa zavisi

od poluprečnika kalupa rk, unutrašnjeg poluprečnika odlivka r0 i

brzine obrtanja kalupa v2.

s t r a n a | 7

Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje

n a l e

1.6.3. Broj obrtaja kalupa

Broj obrtaja kalupa pri horizontalnoj osi s obzirom na unutrašnje dimenzije odlivka određuju se korištenjem obrazca

Kemena , pri čemu je c – koeficijent zavisan od legure, a r – unutrašnji prečnik odlivka, tj r0 (za sivi lim c = 180 ÷

250, čelik c = 215, aluminij i njegove legure c = 260 ÷ 350).

Druga metoda određivanja broja obrtaja zasniva se na odnosu centrifugalne sile i sile zemljine teže.

1.6.4. Određivanje potrebne količine toplote za livenje

pri čemu je: ρ – gustina materijala [kgm-3]

CČM – specifična toplota čvrste faze [Jkg-1K-1] ili [Jkg-1°C-1] CTM – spec. tečne faze

TP – početna temperatura TU – temperatura livenja

TT – temperatura topljenja

δLT – latentna temperatura topljenja Jkg-1